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光交叉连接 OXC 的技术演进!

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通往ICT之路
发布于 2025-04-09 06:22:52
发布于 2025-04-09 06:22:52
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文章被收录于专栏:6G6G

OXC(optical cross-connect),即光交叉连接,是ROADM(Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer,可重构光分插复用器)的演进版。

作为光网络的核心交换单元,光交叉连接(OXC)的扩展能力与经济性不仅决定了网络拓扑的灵活性,更直接关系到大规模光网络的建设与运维成本。不同类型的OXC在架构设计与功能实现上存在显著差异。

下图所示是传统 CDC-OXC(Colorless Directionless Contentionless 光交叉连接)架构的示意图,使用了波长选择开关(WSS),在线路侧配置 1 × N 和 N × 1 的 WSS 作为入口/出口模块,而在add/drop侧的 M × K WSS 负责管理波长的添加和下路。这些模块通过 OXC 背板中的光纤互连。

图:传统CDC-OXC架构

也可以通过将其背板转换为 Spanke 网络,就是我们的 Spanke-OXC 架构。

图:Spanke-OXC架构

上图中,可以看出在线路侧,OXC与两种类型的端口相关联:方向性端口和光纤端口。每个方向性端口对应网络拓扑中OXC的地理方向,而每个光纤端口代表方向性端口内的一对双向光纤。一个方向性端口包含多对双向光纤(即多个光纤端口)。

虽然基于Spanke架构的OXC通过全互连背板设计实现严格无阻塞交换,但随着网络流量激增,其局限性愈发显著。商用波长选择开关(WSS)的端口数限制(例如当前最大支持1×48端口,如Finisar的FlexGrid Twin 1x48)使得扩展OXC维度时需替换所有硬件,成本高昂且无法复用现有设备。

即使采用基于Clos网络的高维度OXC架构,仍需依赖昂贵的M×N WSS,同样难以满足渐进式升级需求。

针对这一挑战,研究人员提出了一种新型混合架构:HMWC-OXC(Hybrid MEMS and WSS Clos Network),通过整合微机电系统(MEMS)与WSS,在

保持接近非阻塞性能的同时支持“pay-as-you-grow(按需扩展)”特性,为光网络运营商提供了经济高效的升级路径。

HMWC-OXC的核心设计在于三层Clos网络结构。

图:基于HMWC网络的Spanke-OXC架构

输入层与输出层部署高维度MEMS光开关,例如当前技术支持的512×512规模,形成大容量端口池;中间层则由多个小型Spanke-OXC模块构成,模块之间通过“T端口”实现互联以缓解内部阻塞。

初始阶段,运营商可基于现有Spanke-OXC(如4×4规模)构建基础架构,仅需在输入输出层配置MEMS开关(如32×32),中间层保留单个Spanke-OXC模块(此时T端口数为0)。随着网络容量需求增长,逐步向中间层添加新的Spanke-OXC模块,并通过配置T端口实现模块间连接。

例如,将中间层模块从1个扩展至2个时,T端口数设置为1,总维度即可从4提升至6。

图:HMWC-OXC示例

这一过程遵循参数约束关系M>N×(S−T),其中:

  • M为MEMS端口数,
  • N为中间层模块数量,
  • S为单个Spanke-OXC的端口数,
  • T为互联端口数。

通过动态调整这些参数,HMWC-OXC可支持从初始规模逐步扩展至目标维度(如64×64),且无需一次性替换全部硬件资源。

为验证该架构的实际性能,研究团队基于动态光路请求开展了仿真实验。

图:HMWC网络的阻塞性能

仿真采用Erlang流量模型,假设服务请求服从泊松分布,服务保持时间符合负指数分布,总流量负载设定为3100 Erlang。目标OXC维度为64×64,输入输出层MEMS规模对应为64×64,中间层Spanke-OXC模块配置包括32×32或48×48两种规格,T端口数根据场景需求设为0至16。

结果表明,在方向维数D=4的场景下,HMWC-OXC的阻塞概率与传统Spanke-OXC基线(S(64,4)接近,例如使用v(64,2,32,0,4)配置时,中等负载下阻塞率仅增加约5%。当方向维度数增至D=8时,受“干线效应”影响,各方向光纤度数减少导致阻塞概率上升,但通过增加T端口数量(如v(64,2,48,16,8)配置)可有效缓解这一问题。

值得注意的是,尽管中间层模块增加会因T端口竞争引发内部阻塞,但整体架构仍能通过合理配置实现性能优化。

成本分析进一步凸显了HMWC-OXC的优势,如下图。

图:不同OXC架构的阻塞概率和成本

在80波长/光纤的高密度场景下,HMWC-OXC(v(64,2,44,12,64)相较传统Spanke-OXC可降低40%成本,而低波长数场景(如50波长/光纤)下,由于所需T端口数减少(如v(64,2,36,4,64),成本优势更为显著。

这一经济性源于MEMS开关的高端口密度与模块化扩展策略的结合,既避免了大规模WSS替换的支出,又通过复用现有Spanke-OXC模块降低了增量投资。仿真结果还显示,通过调整中间层模块数量与T端口比例,HMWC-OXC能够在不同波长容量与方向配置下灵活平衡性能与成本,为运营商提供了多维度的优化空间。

未来研究可进一步探索T端口的动态分配算法,以优化内部资源利用率;同时,随着MEMS制造工艺的进步,更高维度开关的集成将进一步提升该架构的扩展潜力。对于光网络运营商而言,这一架构尤其适用于流量增长不确定的场景,为其构建弹性可扩展的全光骨干网提供了切实可行的技术方案。

来源参考:A_Pay-as-You-Grow_High-Dimension_Optical_Cross-Connect_OXC_Based_on_MEMSs_and_WSSs。

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原始发表:2025-04-08,如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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