OXC (Optical Cross-Connect) ist eine weiterentwickelte Version von ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
Als zentrales Schaltelement optischer Netzwerke bestimmen die Skalierbarkeit und Kosteneffizienz optischer Cross-Connects (OXCs) nicht nur die Flexibilität von Netzwerktopologien, sondern wirken sich auch direkt auf die Bau-, Betriebs- und Wartungskosten großer optischer Netzwerke aus. Verschiedene OXC-Typen weisen erhebliche Unterschiede in der Architektur und der funktionalen Implementierung auf.
Die folgende Abbildung veranschaulicht eine traditionelle CDC-OXC-Architektur (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), die wellenlängenselektive Switches (WSS) nutzt. Auf der Leitungsseite dienen 1 × N und N × 1 WSS als Eingangs-/Ausgangsmodule, während M × K WSS auf der Add/Drop-Seite das Hinzufügen und Entfernen von Wellenlängen verwalten. Diese Module sind über Glasfasern innerhalb der OXC-Backplane miteinander verbunden.
Abbildung: Traditionelle CDC-OXC-Architektur
Dies kann auch durch die Konvertierung der Backplane in ein Spanke-Netzwerk erreicht werden, was zu unserer Spanke-OXC-Architektur führt.
Abbildung: Spanke-OXC-Architektur
Die obige Abbildung zeigt, dass der OXC leitungsseitig mit zwei Porttypen verbunden ist: Richtungsports und Glasfaserports. Jeder Richtungsport entspricht der geografischen Ausrichtung des OXC in der Netzwerktopologie, während jeder Glasfaserport ein Paar bidirektionaler Fasern innerhalb des Richtungsports darstellt. Ein Richtungsport enthält mehrere bidirektionale Glasfaserpaare (d. h. mehrere Glasfaserports).
Während der Spanke-basierte OXC durch ein vollständig vernetztes Backplane-Design strikt blockierungsfreies Switching erreicht, werden seine Einschränkungen bei steigendem Netzwerkverkehr immer deutlicher. Die Portanzahlbegrenzung kommerzieller wellenlängenselektiver Switches (WSS) (derzeit werden maximal 1×48 Ports unterstützt, wie etwa der FlexGrid Twin 1×48 von Finisar) bedeutet, dass die Erweiterung der OXC-Dimension den Austausch der gesamten Hardware erfordert, was kostspielig ist und die Wiederverwendung vorhandener Geräte verhindert.
Selbst mit einer hochdimensionalen OXC-Architektur auf Basis von Clos-Netzwerken ist sie immer noch auf teure M×N-WSSs angewiesen, was es schwierig macht, die Anforderungen an inkrementelle Upgrades zu erfüllen.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, haben Forscher eine neuartige Hybridarchitektur vorgeschlagen: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). Durch die Integration von mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und WSS gewährleistet diese Architektur eine nahezu blockierungsfreie Leistung und unterstützt gleichzeitig „Pay-as-you-grow“-Funktionen. Dadurch wird eine kostengünstige Upgrade-Möglichkeit für optische Netzwerkbetreiber geschaffen.
Das Kerndesign von HMWC-OXC liegt in seiner dreischichtigen Clos-Netzwerkstruktur.
Abbildung: Spanke-OXC-Architektur basierend auf HMWC-Netzwerken
Auf der Eingangs- und Ausgangsebene kommen hochdimensionale optische MEMS-Schalter zum Einsatz, beispielsweise im 512×512-Maßstab, der von der aktuellen Technologie unterstützt wird, um einen Port-Pool mit großer Kapazität zu bilden. Die mittlere Ebene besteht aus mehreren kleineren Spanke-OXC-Modulen, die über „T-Ports“ miteinander verbunden sind, um interne Überlastungen zu verringern.
In der Anfangsphase können Betreiber die Infrastruktur auf Basis bestehender Spanke-OXC (z. B. im 4×4-Maßstab) aufbauen, indem sie einfach MEMS-Switches (z. B. 32×32) in den Eingangs- und Ausgangsschichten einsetzen und gleichzeitig ein einzelnes Spanke-OXC-Modul in der mittleren Schicht beibehalten (in diesem Fall ist die Anzahl der T-Ports gleich null). Mit steigenden Anforderungen an die Netzwerkkapazität werden der mittleren Schicht schrittweise neue Spanke-OXC-Module hinzugefügt und T-Ports zur Verbindung der Module konfiguriert.
Wenn beispielsweise die Anzahl der Module der mittleren Schicht von einem auf zwei erweitert wird, wird die Anzahl der T-Ports auf eins festgelegt, wodurch sich die Gesamtabmessung von vier auf sechs erhöht.
Abbildung: HMWC-OXC-Beispiel
Dieser Prozess folgt der Parameterbeschränkung M > N × (S − T), wobei:
M ist die Anzahl der MEMS-Ports,
N ist die Anzahl der Zwischenschichtmodule,
S ist die Anzahl der Ports in einem einzelnen Spanke-OXC und
T ist die Anzahl der miteinander verbundenen Ports.
Durch die dynamische Anpassung dieser Parameter kann HMWC-OXC eine schrittweise Erweiterung von einer anfänglichen Größe auf eine Zieldimension (z. B. 64 × 64) unterstützen, ohne alle Hardwareressourcen auf einmal zu ersetzen.
Um die tatsächliche Leistung dieser Architektur zu überprüfen, führte das Forschungsteam Simulationsexperimente auf der Grundlage dynamischer optischer Pfadanforderungen durch.
Abbildung: Blockierungsleistung des HMWC-Netzwerks
Die Simulation verwendet ein Erlang-Verkehrsmodell und geht davon aus, dass Serviceanfragen einer Poisson-Verteilung und Service-Wartezeiten einer negativen Exponentialverteilung folgen. Die Gesamtverkehrslast ist auf 3100 Erlang festgelegt. Die Zieldimension des OXC beträgt 64×64, und die MEMS-Skalierung der Eingangs- und Ausgangsschicht beträgt ebenfalls 64×64. Die Spanke-OXC-Modulkonfigurationen der mittleren Schicht umfassen 32×32 oder 48×48 Spezifikationen. Die Anzahl der T-Ports reicht je nach Szenarioanforderungen von 0 bis 16.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Blockierwahrscheinlichkeit von HMWC-OXC im Szenario mit einer Richtungsdimension von D = 4 nahe an der des traditionellen Spanke-OXC-Basismodells (S(64,4)) liegt. Beispielsweise steigt die Blockierwahrscheinlichkeit bei Verwendung der Konfiguration v(64,2,32,0,4) unter mäßiger Last nur um etwa 5 %. Bei einer Erhöhung der Richtungsdimension auf D = 8 steigt die Blockierwahrscheinlichkeit aufgrund des „Trunk-Effekts“ und der Verringerung der Faserlänge in jede Richtung. Dieses Problem kann jedoch durch eine Erhöhung der Anzahl der T-Ports (z. B. der Konfiguration v(64,2,48,16,8)) wirksam gemildert werden.
Obwohl das Hinzufügen von Modulen der mittleren Schicht aufgrund von T-Port-Konflikten zu internen Blockierungen führen kann, kann die Gesamtarchitektur durch entsprechende Konfiguration dennoch eine optimierte Leistung erzielen.
Eine Kostenanalyse verdeutlicht die Vorteile von HMWC-OXC noch weiter, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung: Blockierungswahrscheinlichkeit und Kosten verschiedener OXC-Architekturen
In hochdichten Szenarien mit 80 Wellenlängen/Faser kann der HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) die Kosten im Vergleich zum herkömmlichen Spanke-OXC um 40 % senken. In Szenarien mit niedriger Wellenlänge (z. B. 50 Wellenlängen/Faser) ist der Kostenvorteil aufgrund der geringeren Anzahl erforderlicher T-Ports (z. B. v(64,2,36,4,64)) sogar noch deutlicher.
Dieser wirtschaftliche Vorteil ergibt sich aus der Kombination der hohen Portdichte von MEMS-Switches und einer modularen Erweiterungsstrategie, die nicht nur die Kosten für einen groß angelegten WSS-Austausch vermeidet, sondern auch die Zusatzkosten durch die Wiederverwendung vorhandener Spanke-OXC-Module reduziert. Simulationsergebnisse zeigen außerdem, dass HMWC-OXC durch die Anpassung der Anzahl der Mittelschichtmodule und des T-Port-Verhältnisses Leistung und Kosten bei unterschiedlichen Wellenlängenkapazitäten und Richtungskonfigurationen flexibel ausbalancieren kann und Betreibern so mehrdimensionale Optimierungsmöglichkeiten bietet.
Zukünftige Forschungen können dynamische T-Port-Zuweisungsalgorithmen zur Optimierung der internen Ressourcennutzung weiter erforschen. Darüber hinaus wird die Skalierbarkeit dieser Architektur durch Fortschritte in der MEMS-Fertigung und die Integration höherdimensionaler Switches weiter verbessert. Für Betreiber optischer Netze eignet sich diese Architektur insbesondere für Szenarien mit unsicherem Verkehrswachstum und bietet eine praktische technische Lösung für den Aufbau eines robusten und skalierbaren rein optischen Backbone-Netzwerks.
Veröffentlichungszeit: 21. August 2025