OXC (kết nối chéo quang) là phiên bản phát triển của ROADM (Bộ ghép kênh quang bổ sung có thể cấu hình lại).
Là thành phần chuyển mạch cốt lõi của mạng quang, khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí của các bộ kết nối chéo quang (OXC) không chỉ quyết định tính linh hoạt của các cấu trúc mạng mà còn ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí xây dựng, vận hành và bảo trì của các mạng quang quy mô lớn. Các loại OXC khác nhau thể hiện sự khác biệt đáng kể về thiết kế kiến trúc và triển khai chức năng.
Hình bên dưới minh họa kiến trúc CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) truyền thống, sử dụng các công tắc chọn bước sóng (WSS). Ở phía đường truyền, các WSS 1 × N và N × 1 đóng vai trò là các mô-đun vào/ra, trong khi các WSS M × K ở phía thêm/bỏ quản lý việc thêm và bớt bước sóng. Các mô-đun này được kết nối với nhau thông qua các sợi quang bên trong mặt phẳng nền OXC.
Hình: Kiến trúc CDC-OXC truyền thống
Điều này cũng có thể đạt được bằng cách chuyển đổi mặt phẳng sau thành mạng Spanke, tạo ra kiến trúc Spanke-OXC của chúng tôi.
Hình: Kiến trúc Spanke-OXC
Hình trên cho thấy ở phía đường truyền, OXC được liên kết với hai loại cổng: cổng định hướng và cổng quang. Mỗi cổng định hướng tương ứng với hướng địa lý của OXC trong cấu trúc mạng, trong khi mỗi cổng quang đại diện cho một cặp sợi quang song hướng trong cổng định hướng. Một cổng định hướng chứa nhiều cặp sợi quang song hướng (tức là nhiều cổng quang).
Mặc dù OXC dựa trên Spanke đạt được khả năng chuyển mạch không chặn hoàn toàn thông qua thiết kế backplane được kết nối hoàn toàn, nhưng những hạn chế của nó ngày càng trở nên đáng kể khi lưu lượng mạng tăng đột biến. Giới hạn số lượng cổng của các bộ chuyển mạch chọn bước sóng (WSS) thương mại (ví dụ: số lượng cổng tối đa hiện được hỗ trợ là 1x48, chẳng hạn như FlexGrid Twin 1x48 của Finisar) đồng nghĩa với việc mở rộng quy mô OXC đòi hỏi phải thay thế toàn bộ phần cứng, điều này rất tốn kém và ngăn cản việc tái sử dụng thiết bị hiện có.
Ngay cả với kiến trúc OXC đa chiều dựa trên mạng Clos, nó vẫn phụ thuộc vào WSS M×N đắt tiền, khiến việc đáp ứng các yêu cầu nâng cấp gia tăng trở nên khó khăn.
Để giải quyết thách thức này, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một kiến trúc lai mới: HMWC-OXC (Mạng lưới kết hợp MEMS và WSS Clos). Bằng cách tích hợp các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và WSS, kiến trúc này duy trì hiệu suất gần như không bị chặn trong khi vẫn hỗ trợ khả năng "trả tiền theo mức tăng trưởng", mang đến một lộ trình nâng cấp tiết kiệm chi phí cho các nhà khai thác mạng quang.
Thiết kế cốt lõi của HMWC-OXC nằm ở cấu trúc mạng Clos ba lớp.
Hình: Kiến trúc Spanke-OXC dựa trên mạng HMWC
Các công tắc quang MEMS đa chiều được triển khai ở các lớp đầu vào và đầu ra, chẳng hạn như tỷ lệ 512x512 hiện đang được công nghệ hiện tại hỗ trợ, để tạo thành một nhóm cổng dung lượng lớn. Lớp giữa bao gồm nhiều mô-đun Spanke-OXC nhỏ hơn, được kết nối với nhau thông qua "cổng T" để giảm thiểu tắc nghẽn nội bộ.
Trong giai đoạn đầu, các nhà khai thác có thể xây dựng cơ sở hạ tầng dựa trên Spanke-OXC hiện có (ví dụ: quy mô 4x4), chỉ cần triển khai các bộ chuyển mạch MEMS (ví dụ: 32x32) ở các lớp đầu vào và đầu ra, trong khi vẫn giữ lại một mô-đun Spanke-OXC duy nhất ở lớp giữa (trong trường hợp này, số lượng cổng T bằng 0). Khi nhu cầu về dung lượng mạng tăng lên, các mô-đun Spanke-OXC mới sẽ dần được bổ sung vào lớp giữa và các cổng T được cấu hình để kết nối các mô-đun.
Ví dụ, khi mở rộng số lượng mô-đun lớp giữa từ một lên hai, số lượng cổng T được đặt thành một, tăng tổng chiều từ bốn lên sáu.
Hình: Ví dụ HMWC-OXC
Quá trình này tuân theo ràng buộc tham số M > N × (S − T), trong đó:
M là số lượng cổng MEMS,
N là số lượng mô-đun lớp trung gian,
S là số cổng trong một Spanke-OXC duy nhất và
T là số lượng cổng được kết nối.
Bằng cách điều chỉnh động các thông số này, HMWC-OXC có thể hỗ trợ mở rộng dần dần từ quy mô ban đầu đến kích thước mục tiêu (ví dụ: 64×64) mà không cần thay thế toàn bộ tài nguyên phần cứng cùng một lúc.
Để xác minh hiệu suất thực tế của kiến trúc này, nhóm nghiên cứu đã tiến hành các thí nghiệm mô phỏng dựa trên các yêu cầu đường dẫn quang động.
Hình: Hiệu suất chặn của mạng HMWC
Mô phỏng sử dụng mô hình lưu lượng Erlang, giả định các yêu cầu dịch vụ tuân theo phân phối Poisson và thời gian giữ dịch vụ tuân theo phân phối mũ âm. Tổng tải lưu lượng được đặt là 3100 Erlang. Kích thước OXC mục tiêu là 64x64, và tỷ lệ MEMS của lớp đầu vào và đầu ra cũng là 64x64. Cấu hình mô-đun Spanke-OXC lớp giữa bao gồm thông số kỹ thuật 32x32 hoặc 48x48. Số lượng cổng T dao động từ 0 đến 16 tùy thuộc vào yêu cầu của kịch bản.
Kết quả cho thấy, trong kịch bản với chiều hướng D = 4, xác suất chặn của HMWC-OXC gần với xác suất chặn của đường cơ sở Spanke-OXC truyền thống (S(64,4)). Ví dụ, khi sử dụng cấu hình v(64,2,32,0,4), xác suất chặn chỉ tăng khoảng 5% ở tải trung bình. Khi chiều hướng tăng lên D = 8, xác suất chặn tăng do "hiệu ứng thân" và chiều dài sợi giảm theo mỗi hướng. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được khắc phục hiệu quả bằng cách tăng số lượng cổng T (ví dụ: cấu hình v(64,2,48,16,8)).
Đáng chú ý là mặc dù việc bổ sung các mô-đun lớp giữa có thể gây ra tình trạng chặn bên trong do tranh chấp cổng T, nhưng kiến trúc tổng thể vẫn có thể đạt được hiệu suất tối ưu thông qua cấu hình phù hợp.
Phân tích chi phí càng làm nổi bật thêm những ưu điểm của HMWC-OXC, như thể hiện trong hình dưới đây.
Hình: Xác suất chặn và chi phí của các kiến trúc OXC khác nhau
Trong các kịch bản mật độ cao với 80 bước sóng/sợi, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) có thể giảm chi phí 40% so với Spanke-OXC truyền thống. Trong các kịch bản bước sóng thấp (ví dụ: 50 bước sóng/sợi), lợi thế về chi phí thậm chí còn đáng kể hơn do số lượng cổng T cần thiết giảm (ví dụ: v(64,2,36,4,64)).
Lợi ích kinh tế này đến từ sự kết hợp giữa mật độ cổng cao của các bộ chuyển mạch MEMS và chiến lược mở rộng mô-đun, không chỉ tránh được chi phí thay thế WSS quy mô lớn mà còn giảm chi phí gia tăng bằng cách tái sử dụng các mô-đun Spanke-OXC hiện có. Kết quả mô phỏng cũng cho thấy bằng cách điều chỉnh số lượng mô-đun lớp giữa và tỷ lệ cổng T, HMWC-OXC có thể cân bằng linh hoạt hiệu suất và chi phí trong các cấu hình dung lượng và hướng bước sóng khác nhau, mang đến cho nhà khai thác cơ hội tối ưu hóa đa chiều.
Nghiên cứu trong tương lai có thể khám phá sâu hơn các thuật toán phân bổ cổng T động để tối ưu hóa việc sử dụng tài nguyên nội bộ. Hơn nữa, với những tiến bộ trong quy trình sản xuất MEMS, việc tích hợp các thiết bị chuyển mạch đa chiều sẽ nâng cao hơn nữa khả năng mở rộng của kiến trúc này. Đối với các nhà khai thác mạng quang, kiến trúc này đặc biệt phù hợp với các kịch bản tăng trưởng lưu lượng không chắc chắn, cung cấp một giải pháp kỹ thuật thiết thực để xây dựng một mạng xương sống toàn quang linh hoạt và có khả năng mở rộng.
Thời gian đăng: 21-08-2025