تکامل تکنولوژیکی اتصال متقابل نوری (OXC)

OXC (اتصال متقابل نوری) نسخه تکامل‌یافته ROADM (مالتی‌پلکسر اضافه-حذف نوری قابل پیکربندی مجدد) است.

به عنوان عنصر اصلی سوئیچینگ شبکه‌های نوری، مقیاس‌پذیری و مقرون‌به‌صرفه بودن اتصالات متقاطع نوری (OXC) نه تنها انعطاف‌پذیری توپولوژی‌های شبکه را تعیین می‌کند، بلکه مستقیماً بر هزینه‌های ساخت و بهره‌برداری و نگهداری شبکه‌های نوری در مقیاس بزرگ تأثیر می‌گذارد. انواع مختلف OXCها تفاوت‌های قابل‌توجهی در طراحی معماری و پیاده‌سازی عملکردی نشان می‌دهند.

شکل زیر یک معماری سنتی CDC-OXC (اتصال متقاطع نوری بدون جهت، بدون رقابت و رنگ) را نشان می‌دهد که از سوئیچ‌های انتخابگر طول موج (WSS) استفاده می‌کند. در سمت خط، WSS های 1 × N و N × 1 به عنوان ماژول‌های ورودی/خروجی عمل می‌کنند، در حالی که WSS های M × K در سمت اضافه/حذف، اضافه و حذف طول موج‌ها را مدیریت می‌کنند. این ماژول‌ها از طریق فیبرهای نوری در صفحه پشتی OXC به هم متصل می‌شوند.

شکل: معماری سنتی CDC-OXC

این امر همچنین می‌تواند با تبدیل صفحه پشتی به یک شبکه Spanke حاصل شود که منجر به معماری Spanke-OXC ما می‌شود.

شکل: معماری Spank-OXC

شکل بالا نشان می‌دهد که در سمت خط، OXC با دو نوع پورت مرتبط است: پورت‌های جهت‌دار و پورت‌های فیبر. هر پورت جهت‌دار مطابق با جهت جغرافیایی OXC در توپولوژی شبکه است، در حالی که هر پورت فیبر نشان دهنده یک جفت فیبر دو جهته در پورت جهت‌دار است. یک پورت جهت‌دار شامل چندین جفت فیبر دو جهته (یعنی چندین پورت فیبر) است.

در حالی که OXC مبتنی بر Spanke از طریق طراحی یک صفحه پشتی کاملاً به هم پیوسته، سوئیچینگ کاملاً غیر مسدودکننده را محقق می‌کند، محدودیت‌های آن با افزایش ترافیک شبکه به طور فزاینده‌ای قابل توجه می‌شوند. محدودیت تعداد پورت سوئیچ‌های انتخابی طول موج (WSS) تجاری (برای مثال، حداکثر پورت‌های پشتیبانی شده فعلی 1×48 است، مانند FlexGrid Twin 1×48 شرکت Finisar) به این معنی است که گسترش ابعاد OXC نیاز به جایگزینی تمام سخت‌افزارها دارد که پرهزینه است و از استفاده مجدد از تجهیزات موجود جلوگیری می‌کند.

حتی با یک معماری OXC با ابعاد بالا مبتنی بر شبکه‌های Clos، هنوز هم به WSS های گران‌قیمت M×N متکی است که برآورده کردن الزامات ارتقاء تدریجی را دشوار می‌کند.

برای پرداختن به این چالش، محققان یک معماری ترکیبی جدید پیشنهاد کرده‌اند: HMWC-OXC (شبکه ترکیبی MEMS و WSS Clos). این معماری با ادغام سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) و WSS، عملکرد تقریباً بدون انسداد را حفظ می‌کند و در عین حال از قابلیت‌های «پرداخت به ازای رشد» پشتیبانی می‌کند و یک مسیر ارتقاء مقرون‌به‌صرفه برای اپراتورهای شبکه نوری فراهم می‌کند.

طراحی اصلی HMWC-OXC در ساختار شبکه Clos سه لایه آن نهفته است.

شکل: معماری Spanke-OXC مبتنی بر شبکه‌های HMWC

سوئیچ‌های نوری MEMS با ابعاد بالا در لایه‌های ورودی و خروجی، مانند مقیاس ۵۱۲×۵۱۲ که در حال حاضر توسط فناوری فعلی پشتیبانی می‌شود، مستقر می‌شوند تا یک مجموعه پورت با ظرفیت بالا تشکیل دهند. لایه میانی شامل چندین ماژول Spanke-OXC کوچکتر است که از طریق "پورت‌های T" به هم متصل شده‌اند تا ازدحام داخلی را کاهش دهند.

در مرحله اولیه، اپراتورها می‌توانند زیرساخت را بر اساس Spanke-OXC موجود (مثلاً در مقیاس ۴×۴) بسازند و به سادگی سوئیچ‌های MEMS (مثلاً ۳۲×۳۲) را در لایه‌های ورودی و خروجی مستقر کنند، در حالی که یک ماژول Spanke-OXC واحد را در لایه میانی حفظ می‌کنند (در این مورد، تعداد پورت‌های T صفر است). با افزایش الزامات ظرفیت شبکه، ماژول‌های Spanke-OXC جدید به تدریج به لایه میانی اضافه می‌شوند و پورت‌های T برای اتصال ماژول‌ها پیکربندی می‌شوند.

برای مثال، هنگام افزایش تعداد ماژول‌های لایه میانی از یک به دو، تعداد پورت‌های T روی یک تنظیم می‌شود و ابعاد کل از چهار به شش افزایش می‌یابد.

شکل: مثال HMWC-OXC

این فرآیند از محدودیت پارامتر M > N × (S − T) پیروی می‌کند، که در آن:

M تعداد پورت‌های MEMS است،
N تعداد ماژول‌های لایه میانی است،
S تعداد پورت‌ها در یک Spanke-OXC واحد است، و
T تعداد پورت‌های متصل به هم است.

با تنظیم پویای این پارامترها، HMWC-OXC می‌تواند از گسترش تدریجی از یک مقیاس اولیه به یک بعد هدف (مثلاً 64×64) بدون جایگزینی یکباره تمام منابع سخت‌افزاری پشتیبانی کند.

برای تأیید عملکرد واقعی این معماری، تیم تحقیقاتی آزمایش‌های شبیه‌سازی را بر اساس درخواست‌های مسیر نوری پویا انجام داد.

شکل: مسدود کردن عملکرد شبکه HMWC

این شبیه‌سازی از یک مدل ترافیکی ارلانگ استفاده می‌کند، با این فرض که درخواست‌های سرویس از توزیع پواسون و زمان‌های نگهداری سرویس از توزیع نمایی منفی پیروی می‌کنند. بار ترافیکی کل روی ۳۱۰۰ ارلانگ تنظیم شده است. بُعد هدف OXC برابر با ۶۴×۶۴ است و مقیاس MEMS لایه ورودی و خروجی نیز ۶۴×۶۴ است. پیکربندی‌های ماژول Spanke-OXC لایه میانی شامل مشخصات ۳۲×۳۲ یا ۴۸×۴۸ است. تعداد پورت‌های T بسته به الزامات سناریو از ۰ تا ۱۶ متغیر است.

نتایج نشان می‌دهد که در سناریویی با بُعد جهت‌دار D = 4، احتمال انسداد HMWC-OXC نزدیک به احتمال انسداد Spanke-OXC سنتی (S(64,4)) است. به عنوان مثال، با استفاده از پیکربندی v(64,2,32,0,4)، احتمال انسداد تحت بار متوسط ​​تنها تقریباً 5٪ افزایش می‌یابد. هنگامی که بُعد جهت‌دار به D = 8 افزایش می‌یابد، احتمال انسداد به دلیل "اثر تنه" و کاهش طول فیبر در هر جهت افزایش می‌یابد. با این حال، این مشکل را می‌توان با افزایش تعداد پورت‌های T (به عنوان مثال، پیکربندی v(64,2,48,16,8)) به طور مؤثر کاهش داد.

نکته قابل توجه این است که اگرچه اضافه کردن ماژول‌های لایه میانی می‌تواند به دلیل تداخل پورت T باعث انسداد داخلی شود، اما معماری کلی همچنان می‌تواند از طریق پیکربندی مناسب به عملکرد بهینه دست یابد.

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، تجزیه و تحلیل هزینه، مزایای HMWC-OXC را بیشتر برجسته می‌کند.

شکل: احتمال مسدود کردن و هزینه معماری‌های مختلف OXC

در سناریوهای با چگالی بالا با 80 طول موج/فیبر، HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) می‌تواند هزینه‌ها را در مقایسه با Spanke-OXC سنتی تا 40٪ کاهش دهد. در سناریوهای با طول موج کم (مثلاً 50 طول موج/فیبر)، مزیت هزینه به دلیل کاهش تعداد پورت‌های T مورد نیاز (مثلاً v(64,2,36,4,64)) حتی قابل توجه‌تر است.

این مزیت اقتصادی ناشی از ترکیب تراکم بالای پورت‌های سوئیچ‌های MEMS و یک استراتژی توسعه ماژولار است که نه تنها از هزینه جایگزینی WSS در مقیاس بزرگ جلوگیری می‌کند، بلکه با استفاده مجدد از ماژول‌های موجود Spanke-OXC، هزینه‌های افزایشی را نیز کاهش می‌دهد. نتایج شبیه‌سازی همچنین نشان می‌دهد که با تنظیم تعداد ماژول‌های لایه میانی و نسبت پورت‌های T، HMWC-OXC می‌تواند به طور انعطاف‌پذیری عملکرد و هزینه را تحت پیکربندی‌های مختلف ظرفیت و جهت طول موج متعادل کند و فرصت‌های بهینه‌سازی چند بعدی را برای اپراتورها فراهم کند.

تحقیقات آینده می‌تواند الگوریتم‌های تخصیص پویای پورت T را برای بهینه‌سازی استفاده از منابع داخلی بیشتر بررسی کند. علاوه بر این، با پیشرفت در فرآیندهای تولید MEMS، ادغام سوئیچ‌های با ابعاد بالاتر، مقیاس‌پذیری این معماری را بیشتر افزایش می‌دهد. برای اپراتورهای شبکه نوری، این معماری به ویژه برای سناریوهایی با رشد ترافیک نامشخص مناسب است و یک راه‌حل فنی عملی برای ساخت یک شبکه ستون فقرات تمام نوری مقاوم و مقیاس‌پذیر ارائه می‌دهد.