אבולוציה טכנולוגית של חיבור צולב אופטי (OXC)

OXC (חיבור צולב אופטי) הוא גרסה מפותחת של ROADM (מרבב הוספות-השלכה אופטי הניתן להגדרה מחדש).

כאלמנט המיתוג המרכזי של רשתות אופטיות, יכולת ההרחבה והיעילות מבחינת עלות של חיבורים צולבים אופטיים (OXC) לא רק קובעות את הגמישות של טופולוגיות הרשת, אלא גם משפיעות ישירות על עלויות הבנייה, התפעול והתחזוקה של רשתות אופטיות בקנה מידה גדול. סוגים שונים של OXC מציגים הבדלים משמעותיים בתכנון האדריכלי וביישום הפונקציונלי.

האיור שלהלן ממחיש ארכיטקטורת CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) מסורתית, המשתמשת במתגי סלקטיבית אורכי גל (WSS). בצד הקו, WSS בגודל 1 × N ו-N × 1 משמשים כמודולי כניסה/יציאה, בעוד ש-M × K WSS בצד ההוספה/הורדה מנהלים את החיבור וההורדה של אורכי גל. מודולים אלה מחוברים זה לזה באמצעות סיבים אופטיים בתוך משטח האחורי של OXC.

איור: ארכיטקטורת CDC-OXC מסורתית

ניתן להשיג זאת גם על ידי המרת הלוח האחורי לרשת Spanke, וכתוצאה מכך נוצרת ארכיטקטורת Spanke-OXC שלנו.

איור: ארכיטקטורת Spanke-OXC

האיור למעלה מראה שבצד הקו, ה-OXC משויך לשני סוגים של פורטים: פורטים כיווניים ופורטים של סיבים. כל פורט כיווני מתאים לכיוון הגיאוגרפי של ה-OXC בטופולוגיית הרשת, בעוד שכל פורט סיב מייצג זוג סיבים דו כיווניים בתוך הפורט הכיווני. פורט כיווני מכיל מספר זוגות סיבים דו כיווניים (כלומר, מספר פורטים של סיבים).

בעוד ש-OXC מבוסס Spanke משיג מיתוג ללא חסימה לחלוטין באמצעות עיצוב לוח אחורי מחובר במלואו, מגבלותיו הופכות משמעותיות יותר ויותר ככל שתעבורת הרשת עולה. מגבלת מספר הפורטים של מתגים סלקטיביים באורך גל מסחרי (WSS) (לדוגמה, המקסימום הנתמך כיום הוא 1×48 פורטים, כגון FlexGrid Twin 1×48 של Finisar) פירושה שהרחבת ממד ה-OXC דורשת החלפת כל החומרה, דבר יקר ומונע שימוש חוזר בציוד קיים.

אפילו עם ארכיטקטורת OXC בעלת מימדים גבוהים המבוססת על רשתות Clos, היא עדיין מסתמכת על רשתות WSS יקרות M×N, מה שמקשה על עמידה בדרישות שדרוג מצטבר.

כדי להתמודד עם אתגר זה, חוקרים הציעו ארכיטקטורה היברידית חדשנית: HMWC-OXC (MEMS היברידי ורשת סגורה של WSS). על ידי שילוב מערכות מיקרו-אלקטרו-מכניות (MEMS) ו-WSS, ארכיטקטורה זו שומרת על ביצועים כמעט ללא חסימה תוך תמיכה ביכולות "תשלום לפי צמיחה", ומספקת נתיב שדרוג חסכוני עבור מפעילי רשתות אופטיות.

התכנון הליבה של HMWC-OXC טמון במבנה רשת Clos בן שלוש השכבות שלו.

איור: ארכיטקטורת Spanke-OXC המבוססת על רשתות HMWC

מתגי MEMS אופטיים בעלי מימדים גבוהים פרוסים בשכבות הקלט והפלט, כגון קנה המידה 512×512 הנתמך כיום על ידי הטכנולוגיה הנוכחית, כדי ליצור מאגר פורטים בעל קיבולת גדולה. השכבה האמצעית מורכבת ממספר מודולי Spanke-OXC קטנים יותר, המחוברים זה לזה באמצעות "פורטים T" כדי להקל על עומס פנימי.

בשלב הראשוני, מפעילים יכולים לבנות את התשתית המבוססת על Spanke-OXC קיים (למשל, בקנה מידה 4×4), פשוט לפרוס מתגי MEMS (למשל, 32×32) בשכבות הקלט והפלט, תוך שמירה על מודול Spanke-OXC יחיד בשכבה האמצעית (במקרה זה, מספר יציאות ה-T הוא אפס). ככל שדרישות קיבולת הרשת עולות, מודולי Spanke-OXC חדשים מתווספים בהדרגה לשכבה האמצעית, ויציאות T מוגדרות לחיבור המודולים.

לדוגמה, כאשר מרחיבים את מספר מודולי השכבה האמצעית מאחד לשניים, מספר יציאות ה-T מוגדר לאחד, מה שמגדיל את הממד הכולל מארבעה לשישה.

איור: דוגמה ל-HMWC-OXC

תהליך זה פועל לפי אילוץ הפרמטרים M > N × (S − T), כאשר:

M הוא מספר יציאות ה-MEMS,
N הוא מספר מודולי השכבה הביניים,
S הוא מספר הפורטים ב-Spanke-OXC יחיד, ו-
T הוא מספר היציאות המחוברות.

על ידי התאמה דינמית של פרמטרים אלה, HMWC-OXC יכול לתמוך בהרחבה הדרגתית מקנה מידה ראשוני למימד יעד (למשל, 64×64) מבלי להחליף את כל משאבי החומרה בבת אחת.

כדי לאמת את הביצועים בפועל של ארכיטקטורה זו, צוות המחקר ערך ניסויי סימולציה המבוססים על בקשות נתיב אופטי דינמי.

איור: ביצועי חסימה של רשת HMWC

הסימולציה משתמשת במודל תעבורה מסוג Erlang, בהנחה שבקשות השירות עוקבות אחר התפלגות פואסון וזמני ההמתנה של השירות עוקבים אחר התפלגות אקספוננציאלית שלילית. עומס התעבורה הכולל מוגדר ל-3100 Erlangs. ממד היעד של OXC הוא 64×64, וסולם ה-MEMS של שכבת הקלט והפלט הוא גם הוא 64×64. תצורות מודול Spanke-OXC של השכבה האמצעית כוללות מפרטים של 32×32 או 48×48. מספר יציאות ה-T נע בין 0 ל-16 בהתאם לדרישות התרחיש.

התוצאות מראות שבתרחיש עם ממד כיווני של D = 4, הסתברות החסימה של HMWC-OXC קרובה לזו של קו הבסיס המסורתי של Spanke-OXC (S(64,4)). לדוגמה, באמצעות תצורת v(64,2,32,0,4), הסתברות החסימה עולה רק בכ-5% תחת עומס בינוני. כאשר הממד הכיווני עולה ל-D = 8, הסתברות החסימה עולה עקב "אפקט הגזע" והירידה באורך הסיבים בכל כיוון. עם זאת, ניתן להקל ביעילות על בעיה זו על ידי הגדלת מספר יציאות ה-T (לדוגמה, תצורת v(64,2,48,16,8)).

ראוי לציין, שלמרות שהוספת מודולים בשכבה האמצעית עלולה לגרום לחסימה פנימית עקב מחלוקת בין יציאות T, הארכיטקטורה הכוללת עדיין יכולה להשיג ביצועים אופטימליים באמצעות תצורה מתאימה.

ניתוח עלויות מדגיש עוד יותר את היתרונות של HMWC-OXC, כפי שמוצג באיור למטה.

איור: הסתברות חסימה ועלות של ארכיטקטורות OXC שונות

בתרחישים של צפיפות גבוהה עם 80 אורכי גל/סיב, ה-HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) יכול להפחית עלויות ב-40% בהשוואה ל-Spanke-OXC המסורתי. בתרחישים של אורכי גל נמוכים (למשל, 50 אורכי גל/סיב), יתרון העלות משמעותי אף יותר עקב מספר מופחת של יציאות T נדרשות (למשל, v(64,2,36,4,64)).

יתרון כלכלי זה נובע משילוב של צפיפות הפורטים הגבוהה של מתגי MEMS ואסטרטגיית הרחבה מודולרית, אשר לא רק נמנעת מההוצאות של החלפת WSS בקנה מידה גדול, אלא גם מפחיתה עלויות נוספות על ידי שימוש חוזר במודולי Spanke-OXC קיימים. תוצאות הסימולציה מראות גם שעל ידי התאמת מספר מודולי השכבה האמצעית ויחס יציאות ה-T, HMWC-OXC יכול לאזן באופן גמיש ביצועים ועלויות תחת תצורות קיבולת וכיווני אורך גל שונות, ובכך לספק למפעילים הזדמנויות אופטימיזציה רב-ממדיות.

מחקר עתידי יכול לחקור עוד יותר אלגוריתמים דינמיים להקצאת T-port כדי לייעל את ניצול המשאבים הפנימיים. יתר על כן, עם ההתקדמות בתהליכי ייצור MEMS, שילוב מתגים בעלי מימדים גבוהים יותר ישפר עוד יותר את יכולת ההרחבה של ארכיטקטורה זו. עבור מפעילי רשתות אופטיות, ארכיטקטורה זו מתאימה במיוחד לתרחישים עם צמיחה בלתי ודאית של תעבורה, ומספקת פתרון טכני מעשי לבניית רשת שדרה אופטית לחלוטין, עמידה וניתנת להרחבה.