Technological Evolution ng Optical Cross-Connect (OXC)

Ang OXC (optical cross-connect) ay isang binagong bersyon ng ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).

Bilang pangunahing elemento ng switching ng mga optical network, ang scalability at cost-effectiveness ng optical cross-connects (OXCs) ay hindi lamang tumutukoy sa flexibility ng mga topologies ng network ngunit direktang nakakaapekto rin sa construction at operation at maintenance cost ng large-scale optical networks. Ang iba't ibang uri ng mga OXC ay nagpapakita ng mga makabuluhang pagkakaiba sa disenyo ng arkitektura at pagpapatupad ng pagganap.

Ang figure sa ibaba ay naglalarawan ng tradisyonal na arkitektura ng CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), na gumagamit ng wavelength selective switch (WSS). Sa gilid ng linya, ang 1 × N at N × 1 WSS ay nagsisilbing mga module ng ingress/egress, habang ang mga M × K WSS sa add/drop side ay namamahala sa pagdaragdag at pagbaba ng mga wavelength. Ang mga module na ito ay magkakaugnay sa pamamagitan ng mga optical fiber sa loob ng OXC backplane.

Larawan: Tradisyunal na Arkitektura ng CDC-OXC

Maaari rin itong makamit sa pamamagitan ng pag-convert ng backplane sa isang network ng Spanke, na nagreresulta sa aming arkitektura ng Spanke-OXC.

Larawan: Arkitektura ng Spanke-OXC

Ipinapakita ng figure sa itaas na sa gilid ng linya, ang OXC ay nauugnay sa dalawang uri ng mga port: mga directional port at fiber port. Ang bawat directional port ay tumutugma sa geographic na direksyon ng OXC sa network topology, habang ang bawat fiber port ay kumakatawan sa isang pares ng bidirectional fibers sa loob ng directional port. Ang directional port ay naglalaman ng maramihang bidirectional fiber pairs (ibig sabihin, maramihang fiber port).

Habang ang OXC na nakabase sa Spanke ay nakakamit ng mahigpit na hindi nakaharang na paglipat sa pamamagitan ng isang ganap na magkakaugnay na disenyo ng backplane, ang mga limitasyon nito ay lalong nagiging makabuluhan habang dumarami ang trapiko sa network. Ang port count limit ng commercial wavelength selective switch (WSSs) (halimbawa, ang kasalukuyang maximum na sinusuportahan ay 1×48 port, gaya ng Finisar's FlexGrid Twin 1×48) ay nangangahulugan na ang pagpapalawak ng OXC na dimensyon ay nangangailangan ng pagpapalit ng lahat ng hardware, na magastos at pinipigilan ang muling paggamit ng mga kasalukuyang kagamitan.

Kahit na may mataas na dimensyon na arkitektura ng OXC batay sa mga network ng Clos, umaasa pa rin ito sa mga mamahaling M×N WSS, na nagpapahirap sa pagtugon sa mga incremental na kinakailangan sa pag-upgrade.

Upang matugunan ang hamon na ito, iminungkahi ng mga mananaliksik ang isang nobelang hybrid na arkitektura: HMWC-OXC (Hybrid MEMS at WSS Clos Network). Sa pamamagitan ng pagsasama ng mga microelectromechanical system (MEMS) at WSS, pinapanatili ng arkitektura na ito ang halos hindi pag-block na pagganap habang sinusuportahan ang mga kakayahan na "pay-as-you-grow", na nagbibigay ng cost-effective na upgrade path para sa mga optical network operator.

Ang pangunahing disenyo ng HMWC-OXC ay nakasalalay sa tatlong-layer na istraktura ng network ng Clos.

Figure: Arkitekturang Spanke-OXC Batay sa HMWC Networks

Ang mga high-dimensional na MEMS optical switch ay naka-deploy sa input at output layer, tulad ng 512×512 scale na kasalukuyang sinusuportahan ng kasalukuyang teknolohiya, upang bumuo ng isang malaking-capacity na port pool. Ang gitnang layer ay binubuo ng maramihang mas maliliit na Spanke-OXC module, na magkakaugnay sa pamamagitan ng "T-ports" upang maibsan ang panloob na pagsisikip.

Sa paunang yugto, ang mga operator ay maaaring magtayo ng imprastraktura batay sa umiiral na Spanke-OXC (hal., 4×4 scale), simpleng pag-deploy ng mga switch ng MEMS (hal, 32×32) sa input at output layer, habang pinapanatili ang isang module ng Spanke-OXC sa gitnang layer (sa kasong ito, ang bilang ng mga T-port ay zero). Habang tumataas ang mga kinakailangan sa kapasidad ng network, ang mga bagong Spanke-OXC na module ay unti-unting idinaragdag sa gitnang layer, at ang mga T-port ay na-configure upang ikonekta ang mga module.

Halimbawa, kapag pinalawak ang bilang ng mga module ng gitnang layer mula isa hanggang dalawa, ang bilang ng mga T-port ay nakatakda sa isa, na pinapataas ang kabuuang dimensyon mula apat hanggang anim.

Larawan: Halimbawa ng HMWC-OXC

Ang prosesong ito ay sumusunod sa parameter constraint M > N × (S − T), kung saan:

M ay ang bilang ng mga MEMS port,
Ang N ay ang bilang ng mga intermediate layer modules,
Ang S ay ang bilang ng mga port sa isang Spanke-OXC, at
Ang T ay ang bilang ng mga magkakaugnay na port.

Sa pamamagitan ng dynamic na pagsasaayos ng mga parameter na ito, maaaring suportahan ng HMWC-OXC ang unti-unting pagpapalawak mula sa isang paunang sukat patungo sa isang target na dimensyon (hal., 64×64) nang hindi pinapalitan ang lahat ng mapagkukunan ng hardware nang sabay-sabay.

Upang i-verify ang aktwal na pagganap ng arkitektura na ito, nagsagawa ang research team ng mga simulation experiment batay sa mga dynamic na optical path na kahilingan.

Figure: Pagharang sa Pagganap ng HMWC Network

Gumagamit ang simulation ng modelo ng trapiko ng Erlang, kung ipagpalagay na ang mga kahilingan sa serbisyo ay sumusunod sa isang pamamahagi ng Poisson at ang mga oras ng pagpigil ng serbisyo ay sumusunod sa isang negatibong pamamahagi ng exponential. Ang kabuuang pagkarga ng trapiko ay nakatakda sa 3100 Erlang. Ang target na dimensyon ng OXC ay 64×64, at ang input at output layer MEMS scale ay 64×64 din. Kasama sa gitnang layer na Spanke-OXC na mga configuration ng module ang 32×32 o 48×48 na mga detalye. Ang bilang ng mga T-port ay mula 0 hanggang 16 depende sa mga kinakailangan sa senaryo.

Ipinapakita ng mga resulta na, sa senaryo na may direksyong dimensyon na D = 4, ang posibilidad ng pagharang ng HMWC-OXC ay malapit sa tradisyonal na Spanke-OXC baseline (S(64,4)). Halimbawa, gamit ang v(64,2,32,0,4) na configuration, ang posibilidad ng pagharang ay tumataas lamang ng humigit-kumulang 5% sa ilalim ng katamtamang pagkarga. Kapag tumaas ang direksyong dimensyon sa D = 8, tataas ang posibilidad ng pagharang dahil sa "trunk effect" at pagbaba ng haba ng fiber sa bawat direksyon. Gayunpaman, ang isyung ito ay maaaring epektibong maibsan sa pamamagitan ng pagtaas ng bilang ng mga T-port (halimbawa, ang v(64,2,48,16,8) na configuration).

Kapansin-pansin, kahit na ang pagdaragdag ng mga mid-layer na module ay maaaring magdulot ng panloob na pagharang dahil sa pagtatalo sa T-port, ang pangkalahatang arkitektura ay maaari pa ring makamit ang na-optimize na pagganap sa pamamagitan ng naaangkop na pagsasaayos.

Ang pagsusuri sa gastos ay higit na nagha-highlight sa mga pakinabang ng HMWC-OXC, tulad ng ipinapakita sa figure sa ibaba.

Figure: Pagharang sa Probability at Gastos ng Iba't ibang Arkitektura ng OXC

Sa mga high-density na sitwasyon na may 80 wavelength/fiber, ang HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) ay maaaring mabawasan ang mga gastos ng 40% kumpara sa tradisyonal na Spanke-OXC. Sa mga low-wavelength na sitwasyon (hal., 50 wavelength/fiber), mas makabuluhan ang cost advantage dahil sa nabawasang bilang ng kinakailangang T-ports (hal., v(64,2,36,4,64)).

Ang pang-ekonomiyang benepisyong ito ay nagmumula sa kumbinasyon ng mataas na port density ng MEMS switch at isang modular expansion strategy, na hindi lamang iniiwasan ang gastos ng malakihang pagpapalit ng WSS ngunit binabawasan din ang mga incremental na gastos sa pamamagitan ng muling paggamit ng mga kasalukuyang Spanke-OXC modules. Ipinapakita rin ng mga resulta ng simulation na sa pamamagitan ng pagsasaayos ng bilang ng mga mid-layer na module at ang ratio ng mga T-port, ang HMWC-OXC ay maaaring flexible na balansehin ang pagganap at gastos sa ilalim ng iba't ibang wavelength na kapasidad at mga configuration ng direksyon, na nagbibigay sa mga operator ng mga multi-dimensional na pagkakataon sa pag-optimize.

Ang hinaharap na pananaliksik ay maaaring higit pang galugarin ang mga dynamic na T-port allocation algorithm upang ma-optimize ang panloob na paggamit ng mapagkukunan. Higit pa rito, sa mga pag-unlad sa mga proseso ng pagmamanupaktura ng MEMS, ang pagsasama-sama ng mga switch na may mataas na dimensyon ay higit na magpapahusay sa scalability ng arkitektura na ito. Para sa mga optical network operator, partikular na angkop ang arkitektura na ito para sa mga senaryo na may hindi tiyak na paglaki ng trapiko, na nagbibigay ng praktikal na teknikal na solusyon para sa pagbuo ng isang nababanat at nasusukat na all-optical backbone network.