Evolución tecnolóxica da conexión cruzada óptica (OXC)

OXC (conexión cruzada óptica) é unha versión evolucionada de ROADM (multiplexor de adición e eliminación óptica reconfigurable).

Como elemento central de conmutación das redes ópticas, a escalabilidade e a rendibilidade das conexións cruzadas ópticas (OXC) non só determinan a flexibilidade das topoloxías de rede, senón que tamén inflúen directamente nos custos de construción, operación e mantemento das redes ópticas a grande escala. Os diferentes tipos de OXC presentan diferenzas significativas no deseño arquitectónico e na implementación funcional.

A figura seguinte ilustra unha arquitectura tradicional CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), que utiliza interruptores selectivos de lonxitude de onda (WSS). No lado da liña, os WSS 1 × N e N × 1 serven como módulos de entrada/saída, mentres que os WSS M × K no lado de adición/eliminación xestionan a adición e a eliminación de lonxitudes de onda. Estes módulos están interconectados mediante fibras ópticas dentro do plano posterior OXC.

Figura: Arquitectura tradicional de CDC-OXC

Isto tamén se pode conseguir convertendo o backplane nunha rede Spanke, o que resulta na nosa arquitectura Spanke-OXC.

Figura: Arquitectura Spanke-OXC

A figura anterior mostra que, no lado da liña, o OXC está asociado con dous tipos de portos: portos direccionais e portos de fibra. Cada porto direccional corresponde á dirección xeográfica do OXC na topoloxía da rede, mentres que cada porto de fibra representa un par de fibras bidireccionais dentro do porto direccional. Un porto direccional contén varios pares de fibras bidireccionais (é dicir, varios portos de fibra).

Aínda que o OXC baseado en Spanke consegue unha conmutación estritamente sen bloqueos mediante un deseño de placa posterior totalmente interconectada, as súas limitacións fanse cada vez máis significativas a medida que aumenta o tráfico da rede. O límite de número de portos dos conmutadores selectivos de lonxitude de onda (WSS) comerciais (por exemplo, o máximo compatible actualmente é de 1×48 portos, como o FlexGrid Twin 1×48 de Finisar) significa que a expansión da dimensión OXC require a substitución de todo o hardware, o que é custoso e impide a reutilización dos equipos existentes.

Mesmo cunha arquitectura OXC de alta dimensional baseada en redes Clos, aínda depende de caros WSS M×N, o que dificulta o cumprimento dos requisitos de actualización incremental.

Para abordar este desafío, os investigadores propuxeron unha nova arquitectura híbrida: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Ao integrar sistemas microelectromecánicos (MEMS) e WSS, esta arquitectura mantén un rendemento case sen bloqueos ao tempo que admite capacidades de "pago por crecemento", proporcionando unha ruta de actualización rendible para os operadores de redes ópticas.

O deseño central de HMWC-OXC reside na súa estrutura de rede Clos de tres capas.

Figura: Arquitectura Spanke-OXC baseada en redes HMWC

Os interruptores ópticos MEMS de alta dimensionalidade están implementados nas capas de entrada e saída, como a escala 512×512 que admite actualmente a tecnoloxía actual, para formar un conxunto de portos de gran capacidade. A capa intermedia consta de varios módulos Spanke-OXC máis pequenos, interconectados mediante "portos T" para aliviar a conxestión interna.

Na fase inicial, os operadores poden construír a infraestrutura baseándose no Spanke-OXC existente (por exemplo, a escala 4×4), simplemente despregando conmutadores MEMS (por exemplo, 32×32) nas capas de entrada e saída, mantendo un único módulo Spanke-OXC na capa intermedia (neste caso, o número de portos T é cero). A medida que aumentan os requisitos de capacidade da rede, engádense gradualmente novos módulos Spanke-OXC á capa intermedia e configúranse portos T para conectar os módulos.

Por exemplo, ao ampliar o número de módulos da capa intermedia de un a dous, o número de portos T establécese en un, o que aumenta a dimensión total de catro a seis.

Figura: Exemplo de HMWC-OXC

Este proceso segue a restrición de parámetros M > N × (S − T), onde:

M é o número de portos MEMS,
N é o número de módulos da capa intermedia,
S é o número de portos nun único Spanke-OXC, e
T é o número de portos interconectados.

Ao axustar dinamicamente estes parámetros, HMWC-OXC pode soportar a expansión gradual desde unha escala inicial a unha dimensión de destino (por exemplo, 64×64) sen substituír todos os recursos de hardware á vez.

Para verificar o rendemento real desta arquitectura, o equipo de investigación realizou experimentos de simulación baseados en solicitudes dinámicas de ruta óptica.

Figura: Rendemento de bloqueo da rede HMWC

A simulación emprega un modelo de tráfico Erlang, asumindo que as solicitudes de servizo seguen unha distribución de Poisson e os tempos de espera do servizo seguen unha distribución exponencial negativa. A carga de tráfico total establécese en 3100 Erlangs. A dimensión OXC obxectivo é de 64×64, e a escala MEMS das capas de entrada e saída tamén é de 64×64. As configuracións do módulo Spanke-OXC da capa intermedia inclúen especificacións de 32×32 ou 48×48. O número de portos T varía de 0 a 16 dependendo dos requisitos do escenario.

Os resultados amosan que, no escenario cunha dimensión direccional de D = 4, a probabilidade de bloqueo de HMWC-OXC é próxima á da liña base tradicional de Spanke-OXC (S(64,4)). Por exemplo, usando a configuración v(64,2,32,0,4), a probabilidade de bloqueo aumenta só aproximadamente un 5 % baixo carga moderada. Cando a dimensión direccional aumenta a D = 8, a probabilidade de bloqueo aumenta debido ao "efecto tronco" e á diminución da lonxitude da fibra en cada dirección. Non obstante, este problema pódese aliviar eficazmente aumentando o número de portos en T (por exemplo, a configuración v(64,2,48,16,8)).

Cabe destacar que, aínda que a adición de módulos de capa intermedia pode causar bloqueos internos debido á contienda de portos T, a arquitectura xeral aínda pode acadar un rendemento optimizado mediante unha configuración axeitada.

Unha análise de custos destaca aínda máis as vantaxes de HMWC-OXC, como se mostra na figura seguinte.

Figura: Probabilidade de bloqueo e custo de diferentes arquitecturas OXC

En escenarios de alta densidade con 80 lonxitudes de onda/fibra, o HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) pode reducir os custos nun 40 % en comparación co Spanke-OXC tradicional. En escenarios de baixa lonxitude de onda (por exemplo, 50 lonxitudes de onda/fibra), a vantaxe de custos é aínda máis significativa debido ao número reducido de portos T necesarios (por exemplo, v(64,2,36,4,64)).

Este beneficio económico provén da combinación da alta densidade de portos dos conmutadores MEMS e unha estratexia de expansión modular, que non só evita o gasto da substitución de WSS a grande escala, senón que tamén reduce os custos incrementais ao reutilizar os módulos Spanke-OXC existentes. Os resultados da simulación tamén mostran que, ao axustar o número de módulos de capa intermedia e a proporción de portos T, HMWC-OXC pode equilibrar de forma flexible o rendemento e o custo en diferentes configuracións de capacidade e dirección de lonxitude de onda, o que proporciona aos operadores oportunidades de optimización multidimensional.

As investigacións futuras poden explorar máis a fondo os algoritmos dinámicos de asignación de portos T para optimizar a utilización interna dos recursos. Ademais, cos avances nos procesos de fabricación de MEMS, a integración de conmutadores de maior dimensionalidade mellorará aínda máis a escalabilidade desta arquitectura. Para os operadores de redes ópticas, esta arquitectura é especialmente axeitada para escenarios con crecemento do tráfico incerto, proporcionando unha solución técnica práctica para construír unha rede troncal totalmente óptica resiliente e escalable.