OXC (optical cross-connect) è una versione evoluta di ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
In quanto elemento di commutazione fondamentale delle reti ottiche, la scalabilità e l'economicità dei cross-connect ottici (OXC) non solo determinano la flessibilità delle topologie di rete, ma incidono anche direttamente sui costi di costruzione, gestione e manutenzione delle reti ottiche su larga scala. I diversi tipi di OXC presentano differenze significative nella progettazione architettonica e nell'implementazione funzionale.
La figura seguente illustra un'architettura CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) tradizionale, che utilizza commutatori selettivi in lunghezza d'onda (WSS). Sul lato linea, 1 × N e N × 1 WSS fungono da moduli di ingresso/uscita, mentre M × K WSS sul lato di aggiunta/rimozione gestiscono l'aggiunta e la riduzione delle lunghezze d'onda. Questi moduli sono interconnessi tramite fibre ottiche all'interno del backplane OXC.
Figura: Architettura CDC-OXC tradizionale
Ciò può essere ottenuto anche convertendo il backplane in una rete Spanke, dando origine alla nostra architettura Spanke-OXC.
Figura: Architettura Spanke-OXC
La figura sopra mostra che, sul lato linea, l'OXC è associato a due tipi di porte: porte direzionali e porte in fibra. Ogni porta direzionale corrisponde alla direzione geografica dell'OXC nella topologia di rete, mentre ogni porta in fibra rappresenta una coppia di fibre bidirezionali all'interno della porta direzionale. Una porta direzionale contiene più coppie di fibre bidirezionali (ovvero più porte in fibra).
Sebbene l'OXC basato su Spanke consenta una commutazione rigorosamente non bloccante grazie a un backplane completamente interconnesso, i suoi limiti diventano sempre più significativi con l'aumento del traffico di rete. Il limite del numero di porte degli switch selettivi in lunghezza d'onda (WSS) commerciali (ad esempio, il massimo attualmente supportato è 1×48 porte, come il FlexGrid Twin 1×48 di Finisar) implica che l'espansione delle dimensioni dell'OXC richieda la sostituzione di tutto l'hardware, il che è costoso e impedisce il riutilizzo delle apparecchiature esistenti.
Anche con un'architettura OXC ad alta dimensionalità basata su reti Clos, essa si affida ancora a costosi WSS M×N, rendendo difficile soddisfare i requisiti di aggiornamento incrementale.
Per affrontare questa sfida, i ricercatori hanno proposto una nuova architettura ibrida: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Integrando sistemi microelettromeccanici (MEMS) e WSS, questa architettura mantiene prestazioni quasi non bloccanti, supportando al contempo funzionalità "pay-as-you-grow", offrendo un percorso di aggiornamento conveniente per gli operatori di reti ottiche.
Il design fondamentale di HMWC-OXC risiede nella sua struttura di rete Clos a tre strati.
Figura: Architettura Spanke-OXC basata sulle reti HMWC
Gli switch ottici MEMS ad alta dimensionalità sono implementati negli strati di ingresso e uscita, come la scala 512x512 attualmente supportata dalla tecnologia attuale, per formare un pool di porte ad alta capacità. Lo strato intermedio è costituito da più moduli Spanke-OXC più piccoli, interconnessi tramite "porte a T" per alleviare la congestione interna.
Nella fase iniziale, gli operatori possono costruire l'infrastruttura basandosi sugli Spanke-OXC esistenti (ad esempio, in scala 4x4), semplicemente installando switch MEMS (ad esempio, 32x32) ai livelli di input e output, mantenendo un singolo modulo Spanke-OXC nel livello intermedio (in questo caso, il numero di porte T è zero). Con l'aumentare dei requisiti di capacità della rete, nuovi moduli Spanke-OXC vengono gradualmente aggiunti al livello intermedio e le porte T vengono configurate per connettere i moduli.
Ad esempio, quando si espande il numero di moduli dello strato intermedio da uno a due, il numero di porte T viene impostato su uno, aumentando la dimensione totale da quattro a sei.
Figura: Esempio HMWC-OXC
Questo processo segue il vincolo del parametro M > N × (S − T), dove:
M è il numero di porte MEMS,
N è il numero di moduli dello strato intermedio,
S è il numero di porte in un singolo Spanke-OXC e
T è il numero di porte interconnesse.
Regolando dinamicamente questi parametri, HMWC-OXC può supportare un'espansione graduale da una scala iniziale a una dimensione target (ad esempio, 64×64) senza sostituire tutte le risorse hardware contemporaneamente.
Per verificare le effettive prestazioni di questa architettura, il team di ricerca ha condotto esperimenti di simulazione basati su richieste di percorso ottico dinamico.
Figura: Prestazioni di blocco della rete HMWC
La simulazione utilizza un modello di traffico Erlang, ipotizzando che le richieste di servizio seguano una distribuzione di Poisson e i tempi di attesa del servizio seguano una distribuzione esponenziale negativa. Il carico di traffico totale è impostato a 3100 Erlang. La dimensione OXC target è 64×64 e la scala MEMS degli strati di input e output è anch'essa 64×64. Le configurazioni del modulo Spanke-OXC dello strato intermedio includono specifiche 32×32 o 48×48. Il numero di porte T varia da 0 a 16 a seconda dei requisiti dello scenario.
I risultati mostrano che, nello scenario con una dimensione direzionale di D = 4, la probabilità di blocco di HMWC-OXC è prossima a quella della baseline Spanke-OXC tradizionale (S(64,4)). Ad esempio, utilizzando la configurazione v(64,2,32,0,4), la probabilità di blocco aumenta solo di circa il 5% in condizioni di carico moderato. Quando la dimensione direzionale aumenta a D = 8, la probabilità di blocco aumenta a causa dell'"effetto tronco" e della riduzione della lunghezza della fibra in ciascuna direzione. Tuttavia, questo problema può essere efficacemente alleviato aumentando il numero di porte a T (ad esempio, la configurazione v(64,2,48,16,8)).
In particolare, sebbene l'aggiunta di moduli di livello intermedio possa causare blocchi interni dovuti alla contesa delle porte T, l'architettura complessiva può comunque ottenere prestazioni ottimizzate tramite una configurazione appropriata.
Un'analisi dei costi evidenzia ulteriormente i vantaggi dell'HMWC-OXC, come mostrato nella figura seguente.
Figura: Probabilità di blocco e costo di diverse architetture OXC
In scenari ad alta densità con 80 lunghezze d'onda/fibra, l'HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) può ridurre i costi del 40% rispetto al tradizionale Spanke-OXC. In scenari a bassa lunghezza d'onda (ad esempio, 50 lunghezze d'onda/fibra), il vantaggio in termini di costi è ancora più significativo grazie al ridotto numero di porte a T richieste (ad esempio, v(64,2,36,4,64)).
Questo vantaggio economico deriva dalla combinazione dell'elevata densità di porte degli switch MEMS e di una strategia di espansione modulare, che non solo evita i costi di sostituzione su larga scala dei WSS, ma riduce anche i costi incrementali riutilizzando i moduli Spanke-OXC esistenti. I risultati della simulazione mostrano inoltre che, regolando il numero di moduli mid-layer e il rapporto delle porte T, HMWC-OXC può bilanciare in modo flessibile prestazioni e costi in diverse configurazioni di lunghezza d'onda, capacità e direzione, offrendo agli operatori opportunità di ottimizzazione multidimensionale.
La ricerca futura potrà esplorare ulteriormente algoritmi di allocazione dinamica delle porte T per ottimizzare l'utilizzo delle risorse interne. Inoltre, con i progressi nei processi di produzione dei MEMS, l'integrazione di switch di dimensioni superiori migliorerà ulteriormente la scalabilità di questa architettura. Per gli operatori di reti ottiche, questa architettura è particolarmente adatta a scenari con crescita incerta del traffico, fornendo una soluzione tecnica pratica per la costruzione di una rete dorsale completamente ottica resiliente e scalabile.
Data di pubblicazione: 21-08-2025