光交叉连接 OXC 的技术演进！

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。