OXC (bộ chuyển mạch quang) là phiên bản cải tiến của ROADM (Bộ ghép kênh quang có thể cấu hình lại để thêm/bỏ kênh).
Là thành phần chuyển mạch cốt lõi của mạng quang, khả năng mở rộng và hiệu quả chi phí của các bộ chuyển mạch chéo quang (OXC) không chỉ quyết định tính linh hoạt của 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 những khác biệt đáng kể về thiết kế kiến trúc và triển khai chức năng.
Hình dưới đây minh họa kiến trúc CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) truyền thống, sử dụng các bộ chuyển mạch chọn lọc bước sóng (WSS). Ở phía đường truyền, các WSS 1 × N và N × 1 đóng vai trò là các mô-đun đầu vào/đầu ra, trong khi các WSS M × K ở phía thêm/bớt quản lý việc thêm và bớt các bước sóng. Các mô-đun này được kết nối với nhau thông qua các sợi quang trong bảng mạch OXC.
Hình: Kiến trúc CDC-OXC truyền thống
Điều này cũng có thể đạt được bằng cách chuyển đổi bảng mạch chính thành mạng Spanke, tạo ra kiến trúc Spanke-OXC của chúng tôi.
Hình: Kiến trúc Spanke-OXC
Hình trên cho thấy ở phía đường dây, 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 liên kết mạng, trong khi mỗi cổng quang đại diện cho một cặp sợi quang hai chiều bên trong cổng định hướng đó. Một cổng định hướng chứa nhiều cặp sợi quang hai chiều (tức là nhiều cổng quang).
Mặc dù OXC dựa trên kiến trúc Spanke đạt được khả năng chuyển mạch không bị tắc nghẽn hoàn toàn thông qua thiết kế bảng mạch kết nối liên thông, nhưng những hạn chế của nó ngày càng trở nên đáng kể khi lưu lượng mạng tăng đột biến. Giới hạn số cổng của các bộ chuyển mạch chọn lọc bước sóng (WSS) thương mại (ví dụ: số cổng tối đa hiện được hỗ trợ là 1×48 cổng, chẳng hạn như FlexGrid Twin 1×48 của Finisar) có nghĩa là việc mở rộng kích thước của OXC đòi hỏi phải thay thế toàn bộ phần cứng, điều này tốn kém và cản trở 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 các WSS M×N đắt tiền, khiến việc đáp ứng các yêu cầu nâng cấp tăng dần 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 Clos MEMS và WSS lai). Bằng cách tích hợp hệ thống vi cơ điện tử (MEMS) và WSS, kiến trúc này duy trì hiệu suất gần như không bị tắc nghẽn trong khi hỗ trợ khả năng "trả tiền theo mức độ sử dụng", cung cấp 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 của nó.
Hình: Kiến trúc Spanke-OXC dựa trên mạng HMWC
Các bộ chuyển mạch quang MEMS đa chiều được triển khai ở lớp đầu vào và đầu ra, chẳng hạn như quy mô 512×512 hiện 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 các "cổng T" để giảm tắc nghẽn bên trong.
Trong giai đoạn ban đầu, các nhà khai thác có thể xây dựng cơ sở hạ tầng dựa trên Spanke-OXC hiện có (ví dụ: quy mô 4×4), chỉ cần triển khai các bộ chuyển mạch MEMS (ví dụ: 32×32) ở lớp đầu vào và đầu ra, đồng thời giữ lại một mô-đun Spanke-OXC duy nhất ở lớp giữa (trong trường hợp này, số lượng cổng T bằng không). Khi yêu cầu về dung lượng mạng tăng lên, các mô-đun Spanke-OXC mới sẽ được bổ sung dần vào lớp giữa và các cổng T được cấu hình để kết nối các mô-đun này.
Ví dụ, khi mở rộng số lượng mô-đun lớp giữa từ một lên hai, số lượng cổng T được đặt thành một, làm tăng tổng kích thước từ bốn lên sáu.
Hình: Ví dụ về 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 thiết bị Spanke-OXC duy nhất, và
T là số lượng cổng được kết nối với nhau.
Bằng cách điều chỉnh linh hoạt các tham số này, HMWC-OXC có thể hỗ trợ mở rộng 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 kiểm chứng hiệu năng 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 học 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 chờ dịch vụ tuân theo phân phối hàm mũ âm. Tổng tải lưu lượng được đặt là 3100 Erlang. Kích thước OXC mục tiêu là 64×64, và kích thước MEMS lớp đầu vào và đầu ra cũng là 64×64. Cấu hình mô-đun Spanke-OXC lớp giữa bao gồm các thông số kỹ thuật 32×32 hoặc 48×48. 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 tắc nghẽn của HMWC-OXC gần bằng xác suất tắc nghẽn của đường cơ sở Spanke-OXC truyền thống (S(64,4)). Ví dụ, sử dụng cấu hình v(64,2,32,0,4), xác suất tắc nghẽn chỉ tăng khoảng 5% dưới tải trọng vừa phải. Khi chiều hướng tăng lên D = 8, xác suất tắc nghẽn tăng lên do "hiệu ứng thân" và sự giảm chiều dài sợi quang theo mỗi hướng. Tuy nhiên, vấn đề này có thể được giảm thiểu hiệu quả bằng cách tăng số lượng cổng T (ví dụ, cấu hình v(64,2,48,16,8)).
Đáng chú ý, mặc dù việc bổ sung các mô-đun lớp giữa có thể gây ra tắc nghẽn 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 những ưu điểm của HMWC-OXC, như thể hiện trong hình dưới đây.
Hình: Xác suất tắc nghẽn và chi phí của các kiến trúc OXC khác nhau
Trong các kịch bản mật độ cao với 80 bước sóng/sợi quang, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) có thể giảm chi phí tới 40% so với Spanke-OXC truyền thống. Trong các kịch bản bước sóng thấp (ví dụ: 50 bước sóng/sợi quang), 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 xuất phát từ sự kết hợp giữa mật độ cổng cao của các bộ chuyển mạch MEMS và chiến lược mở rộng theo 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 rằng bằng cách điều chỉnh số lượng mô-đun lớp giữa và tỷ lệ cổng T, HMWC-OXC có thể linh hoạt cân bằng hiệu suất và chi phí trong các cấu hình dung lượng bước sóng và hướng khác nhau, cung cấp cho các nhà khai thác cơ hội tối ưu hóa đa chiều.
Nghiên cứu trong tương lai có thể tiếp tục khám phá 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 bộ 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 có sự tăng trưởng lưu lượng không chắc chắn, cung cấp một giải pháp kỹ thuật thiết thực để xây dựng một mạng xương sống quang học toàn diện, mạnh mẽ và có khả năng mở rộng.
Thời gian đăng bài: 21/08/2025