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 degli interconnessioni ottiche (OXC) non solo determinano la flessibilità delle topologie di rete, ma incidono direttamente anche sui costi di costruzione, esercizio e manutenzione delle reti ottiche su larga scala. Le diverse tipologie di OXC presentano differenze significative in termini di progettazione architettonica e implementazione funzionale.
La figura seguente illustra un'architettura CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) tradizionale, che utilizza switch selettivi di 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/eliminazione gestiscono l'aggiunta e l'eliminazione delle lunghezze d'onda. Questi moduli sono interconnessi tramite fibre ottiche all'interno del backplane OXC.
Figura: Architettura tradizionale del CDC-OXC
Questo risultato 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. Ciascuna porta direzionale corrisponde alla direzione geografica dell'OXC nella topologia di rete, mentre ciascuna 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 raggiunga una commutazione rigorosamente non bloccante grazie a un design del 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 di lunghezza d'onda (WSS) commerciali (ad esempio, il massimo attualmente supportato è 1×48 porte, come nel caso del FlexGrid Twin 1×48 di Finisar) implica che l'espansione della dimensione 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, si fa comunque affidamento su costosi WSS M×N, il che rende 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" e offrendo un percorso di aggiornamento economicamente vantaggioso per gli operatori di reti ottiche.
Il principio fondamentale del design di HMWC-OXC risiede nella sua struttura a rete Clos a tre strati.
Figura: Architettura Spanke-OXC basata su reti HMWC
A livello di ingresso e di uscita vengono impiegati switch ottici MEMS ad alta dimensionalità, come ad esempio quelli con risoluzione 512×512 attualmente supportati dalla tecnologia odierna, per formare un pool di porte ad alta capacità. Lo strato intermedio è costituito da più moduli Spanke-OXC di dimensioni ridotte, interconnessi tramite "porte a T" per ridurre la congestione interna.
Nella fase iniziale, gli operatori possono costruire l'infrastruttura basandosi su Spanke-OXC esistenti (ad esempio, su scala 4×4), semplicemente implementando switch MEMS (ad esempio, 32×32) negli strati di input e output, mantenendo un singolo modulo Spanke-OXC nello strato intermedio (in questo caso, il numero di porte T è zero). Man mano che i requisiti di capacità della rete aumentano, nuovi moduli Spanke-OXC vengono gradualmente aggiunti allo strato intermedio e le porte T vengono configurate per connettere i moduli.
Ad esempio, espandendo 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 rappresenta 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 dover sostituire tutte le risorse hardware contemporaneamente.
Per verificare le prestazioni effettive di questa architettura, il team di ricerca ha condotto esperimenti di simulazione basati su richieste dinamiche di percorso ottico.
Figura: Prestazioni di blocco della rete HMWC
La simulazione utilizza un modello di traffico Erlang, assumendo 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 target dell'OXC è 64×64 e anche la scala MEMS dello strato di input e output è 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 vicina a quella del tradizionale Spanke-OXC di riferimento (S(64,4)). Ad esempio, utilizzando la configurazione v(64,2,32,0,4), la probabilità di blocco aumenta solo di circa il 5% sotto carico moderato. Quando la dimensione direzionale aumenta a D = 8, la probabilità di blocco aumenta a causa dell'"effetto tronco" e della diminuzione della lunghezza della fibra in ciascuna direzione. Tuttavia, questo problema può essere efficacemente attenuato aumentando il numero di porte 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 raggiungere prestazioni ottimizzate attraverso una configurazione appropriata.
Un'analisi dei costi evidenzia ulteriormente i vantaggi dell'HMWC-OXC, come illustrato 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 numero ridotto di porte T necessarie (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 la spesa di una sostituzione su larga scala dei WSS, ma riduce anche i costi incrementali riutilizzando i moduli Spanke-OXC esistenti. I risultati delle simulazioni mostrano inoltre che, regolando il numero di moduli dello strato intermedio e il rapporto delle porte T, HMWC-OXC può bilanciare in modo flessibile prestazioni e costi in diverse configurazioni di capacità e direzione della lunghezza d'onda, offrendo agli operatori opportunità di ottimizzazione multidimensionale.
La ricerca futura potrà approfondire gli algoritmi di allocazione dinamica delle porte T per ottimizzare l'utilizzo delle risorse interne. Inoltre, grazie ai progressi nei processi di produzione MEMS, l'integrazione di switch ad alta dimensionalità migliorerà ulteriormente la scalabilità di questa architettura. Per gli operatori di reti ottiche, questa architettura è particolarmente adatta a scenari con crescita del traffico incerta, fornendo una soluzione tecnica pratica per la realizzazione di una rete dorsale interamente ottica resiliente e scalabile.
Data di pubblicazione: 21 agosto 2025