OXC (Optical Cross-Connect) ist eine Weiterentwicklung von ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).
Als zentrales Vermittlungselement optischer Netze bestimmen Skalierbarkeit und Kosteneffizienz optischer Kreuzverbinder (OXCs) nicht nur die Flexibilität der Netzwerktopologien, sondern beeinflussen auch direkt die Bau-, Betriebs- und Wartungskosten großflächiger optischer Netze. Verschiedene OXC-Typen weisen signifikante Unterschiede in Architektur und Funktionalität auf.
Die Abbildung unten veranschaulicht eine herkömmliche CDC-OXC-Architektur (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), die wellenlängenselektive Schalter (WSS) verwendet. Auf der Leitungsseite dienen 1 × N und N × 1 WSS als Eingangs-/Ausgangsmodule, während M × K WSS auf der Hinzufügungs-/Abzweigseite das Hinzufügen und Entfernen von Wellenlängen steuern. Diese Module sind über optische Fasern innerhalb der OXC-Rückwandplatine miteinander verbunden.
Abbildung: Traditionelle CDC-OXC-Architektur
Dies kann auch durch die Umwandlung der Backplane in ein Spanke-Netzwerk erreicht werden, wodurch unsere Spanke-OXC-Architektur entsteht.
Abbildung: Spanke-OXC-Architektur
Die obige Abbildung zeigt, dass der OXC auf der Leitungsseite 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 Glasfasern innerhalb des Richtungsports repräsentiert. Ein Richtungsport enthält mehrere bidirektionale Glasfaserpaare (d. h. mehrere Glasfaserports).
Während der auf Spanke basierende OXC durch ein vollständig vernetztes Backplane-Design ein strikt blockierungsfreies Switching ermöglicht, werden seine Grenzen bei steigendem Netzwerkverkehr immer deutlicher. Die Portanzahlbegrenzung kommerzieller wellenlängenselektiver Switches (WSS) (beispielsweise maximal 1×48 Ports, wie beim Finisar FlexGrid Twin 1×48) bedeutet, dass eine Erweiterung des OXC den Austausch der gesamten Hardware erfordert, was kostspielig ist und die Wiederverwendung vorhandener Geräte ausschließt.
Selbst mit einer hochdimensionalen OXC-Architektur auf Basis von Clos-Netzwerken ist man immer noch auf teure M×N WSSs angewiesen, was die Erfüllung inkrementeller Upgrade-Anforderungen erschwert.
Um dieser Herausforderung zu begegnen, 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 skalierbare Erweiterungen („Pay-as-you-grow“). Dadurch bietet sie Betreibern optischer Netzwerke einen kosteneffizienten Upgrade-Pfad.
Das Kerndesign von HMWC-OXC liegt in seiner dreischichtigen Clos-Netzwerkstruktur.
Abbildung: Spanke-OXC-Architektur basierend auf HMWC-Netzwerken
Hochdimensionale optische MEMS-Schalter, beispielsweise in der von der aktuellen Technologie unterstützten 512×512-Skala, werden auf der Eingangs- und Ausgangsebene eingesetzt, um einen Portpool mit hoher Kapazität zu bilden. Die mittlere Ebene besteht aus mehreren kleineren Spanke-OXC-Modulen, die über T-Ports miteinander verbunden sind, um interne Engpässe zu vermeiden.
In der Anfangsphase können Betreiber die Infrastruktur auf Basis bestehender Spanke-OXC-Systeme (z. B. im 4×4-Maßstab) aufbauen, indem sie einfach MEMS-Switches (z. B. 32×32) auf der Eingangs- und Ausgangsebene einsetzen und ein einzelnes Spanke-OXC-Modul in der mittleren Ebene beibehalten (in diesem Fall beträgt die Anzahl der T-Ports null). Mit steigendem Kapazitätsbedarf des Netzwerks werden schrittweise neue Spanke-OXC-Module in der mittleren Ebene hinzugefügt und T-Ports zur Verbindung der Module konfiguriert.
Wenn man beispielsweise die Anzahl der Module der mittleren Schicht von eins auf zwei erhöht, wird die Anzahl der T-Ports auf eins gesetzt, wodurch sich die Gesamtdimension von vier auf sechs erhöht.
Abbildung: HMWC-OXC-Beispiel
Dieser Prozess folgt der Parameterbedingung M > N × (S − T), wobei:
M ist die Anzahl der MEMS-Anschlüsse.
N ist die Anzahl der Zwischenschichtmodule.
S ist die Anzahl der Anschlüsse in einem einzelnen Spanke-OXC,
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 Zielgröße (z. B. 64×64) unterstützen, ohne dass alle Hardware-Ressourcen auf einmal ersetzt werden müssen.
Um die tatsächliche Leistungsfähigkeit dieser Architektur zu überprüfen, führte das Forschungsteam Simulationsexperimente auf Basis dynamischer optischer Pfadanforderungen durch.
Abbildung: Blockierungsleistung des HMWC-Netzwerks
Die Simulation verwendet ein Erlang-Verkehrsmodell, wobei angenommen wird, dass Serviceanfragen einer Poisson-Verteilung und Service-Wartezeiten einer negativen Exponentialverteilung folgen. Die Gesamtlast beträgt 3100 Erlang. Die Zielgröße des OXC-Moduls ist 64×64, ebenso wie die MEMS-Skalierung der Eingangs- und Ausgangsschicht. Die Konfigurationen des Spanke-OXC-Moduls der mittleren Schicht umfassen Spezifikationen von 32×32 oder 48×48. Die Anzahl der T-Ports variiert je nach Szenarioanforderungen zwischen 0 und 16.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Blockierungswahrscheinlichkeit von HMWC-OXC im Szenario mit einer Richtungsdimension von D = 4 nahe an der des herkömmlichen Spanke-OXC-Referenzsystems (S(64,4)) liegt. Beispielsweise erhöht sich die Blockierungswahrscheinlichkeit bei Verwendung der Konfiguration v(64,2,32,0,4) unter moderater Last nur um etwa 5 %. Bei einer Erhöhung der Richtungsdimension auf D = 8 steigt die Blockierungswahrscheinlichkeit aufgrund des „Stammeffekts“ und der abnehmenden Faserlänge in jeder Richtung. Dieses Problem lässt sich jedoch durch eine Erhöhung der Anzahl der T-Ports (z. B. in der Konfiguration v(64,2,48,16,8)) effektiv beheben.
Es ist anzumerken, dass die Hinzufügung von Modulen der mittleren Schicht zwar aufgrund von Konflikten an den T-Ports zu internen Blockierungen führen kann, die Gesamtarchitektur jedoch durch eine geeignete Konfiguration dennoch eine optimierte Leistung erzielen kann.
Eine Kostenanalyse verdeutlicht darüber hinaus die Vorteile von HMWC-OXC, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.
Abbildung: Blockierungswahrscheinlichkeit und -kosten verschiedener OXC-Architekturen
Bei hoher Faserdichte mit 80 Wellenlängen pro Faser kann der HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) die Kosten im Vergleich zum herkömmlichen Spanke-OXC um 40 % senken. Bei niedriger Wellenlängendichte (z. B. 50 Wellenlängen pro Faser) ist der Kostenvorteil aufgrund der geringeren Anzahl benötigter 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-Schaltern und einer modularen Erweiterungsstrategie. Dadurch werden nicht nur die Kosten eines umfassenden Austauschs von WSS vermieden, sondern auch die Folgekosten durch die Wiederverwendung vorhandener Spanke-OXC-Module gesenkt. Simulationsergebnisse zeigen zudem, dass HMWC-OXC durch die Anpassung der Anzahl der Zwischenschichtmodule und des Verhältnisses der T-Ports Leistung und Kosten bei unterschiedlichen Wellenlängenkapazitäten und Richtungskonfigurationen flexibel ausbalancieren kann. Dies bietet Betreibern vielfältige Optimierungsmöglichkeiten.
Zukünftige Forschung kann dynamische T-Port-Zuweisungsalgorithmen zur Optimierung der internen Ressourcennutzung weiter untersuchen. Fortschritte in der MEMS-Fertigung ermöglichen zudem die Integration höherdimensionaler Schalter, wodurch die Skalierbarkeit dieser Architektur weiter verbessert wird. Für Betreiber optischer Netze eignet sich diese Architektur besonders für Szenarien mit unsicherem Verkehrswachstum und bietet eine praktische technische Lösung für den Aufbau eines robusten und skalierbaren optischen Backbone-Netzwerks.
Veröffentlichungsdatum: 21. August 2025