OXC (conexão cruzada óptica) é uma versão evoluída do ROADM (Multiplexador Óptico Add-Drop Reconfigurável).
Como elemento central de comutação das redes ópticas, a escalabilidade e a relação custo-benefício das conexões cruzadas ópticas (OXCs) não apenas determinam a flexibilidade das topologias de rede, mas também impactam diretamente os custos de construção, operação e manutenção de redes ópticas de grande porte. Diferentes tipos de OXCs apresentam diferenças significativas no projeto arquitetônico e na implementação funcional.
A figura abaixo ilustra uma arquitetura tradicional CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect), que utiliza switches seletivos de comprimento de onda (WSSs). No lado da linha, WSSs 1 × N e N × 1 servem como módulos de entrada/saída, enquanto WSSs M × K no lado de adição/remoção gerenciam a adição e a remoção de comprimentos de onda. Esses módulos são interconectados por fibras ópticas dentro do painel traseiro OXC.
Figura: Arquitetura tradicional CDC-OXC
Isso também pode ser alcançado convertendo o backplane em uma rede Spanke, resultando em nossa arquitetura Spanke-OXC.
Figura: Arquitetura Spanke-OXC
A figura acima mostra que, no lado da linha, o OXC está associado a dois tipos de portas: portas direcionais e portas de fibra. Cada porta direcional corresponde à direção geográfica do OXC na topologia da rede, enquanto cada porta de fibra representa um par de fibras bidirecionais dentro da porta direcional. Uma porta direcional contém vários pares de fibras bidirecionais (ou seja, várias portas de fibra).
Embora o OXC baseado em Spanke alcance comutação estritamente sem bloqueio por meio de um projeto de backplane totalmente interconectado, suas limitações tornam-se cada vez mais significativas à medida que o tráfego de rede aumenta. O limite de portas dos switches seletivos de comprimento de onda (WSSs) comerciais (por exemplo, o máximo atualmente suportado é de 1×48 portas, como o FlexGrid Twin 1×48 da Finisar) significa que a expansão da dimensão do OXC exige a substituição de todo o hardware, o que é dispendioso e impede a reutilização dos equipamentos existentes.
Mesmo com uma arquitetura OXC de alta dimensão baseada em redes Clos, ela ainda depende de caros M×N WSSs, dificultando o atendimento aos requisitos de atualização incremental.
Para enfrentar esse desafio, pesquisadores propuseram uma nova arquitetura híbrida: HMWC-OXC (Rede Híbrida de MEMS e WSS Clos). Ao integrar sistemas microeletromecânicos (MEMS) e WSS, essa arquitetura mantém um desempenho quase não bloqueado, ao mesmo tempo em que suporta recursos de "pagamento conforme o crescimento", proporcionando um caminho de atualização com boa relação custo-benefício para operadoras de redes ópticas.
O design central do HMWC-OXC está em sua estrutura de rede Clos de três camadas.
Figura: Arquitetura Spanke-OXC baseada em redes HMWC
Switches ópticos MEMS de alta dimensionalidade são implantados nas camadas de entrada e saída, como a escala 512×512 atualmente suportada pela tecnologia atual, para formar um conjunto de portas de grande capacidade. A camada intermediária consiste em vários módulos Spanke-OXC menores, interconectados por "portas T" para aliviar o congestionamento interno.
Na fase inicial, as operadoras podem construir a infraestrutura com base no Spanke-OXC existente (por exemplo, escala 4x4), simplesmente implantando switches MEMS (por exemplo, 32x32) nas camadas de entrada e saída, mantendo um único módulo Spanke-OXC na camada intermediária (neste caso, o número de portas T é zero). À medida que os requisitos de capacidade da rede aumentam, novos módulos Spanke-OXC são gradualmente adicionados à camada intermediária, e portas T são configuradas para conectar os módulos.
Por exemplo, ao expandir o número de módulos da camada intermediária de um para dois, o número de portas T é definido como um, aumentando a dimensão total de quatro para seis.
Figura: Exemplo de HMWC-OXC
Este processo segue a restrição de parâmetros M > N × (S − T), onde:
M é o número de portas MEMS,
N é o número de módulos da camada intermediária,
S é o número de portas em um único Spanke-OXC e
T é o número de portas interconectadas.
Ao ajustar dinamicamente esses parâmetros, o HMWC-OXC pode suportar uma expansão gradual de uma escala inicial para uma dimensão alvo (por exemplo, 64×64) sem substituir todos os recursos de hardware de uma só vez.
Para verificar o desempenho real dessa arquitetura, a equipe de pesquisa conduziu experimentos de simulação com base em solicitações dinâmicas de caminhos ópticos.
Figura: Desempenho de bloqueio da rede HMWC
A simulação utiliza um modelo de tráfego Erlang, assumindo que as solicitações de serviço seguem uma distribuição de Poisson e os tempos de espera de serviço seguem uma distribuição exponencial negativa. A carga total de tráfego é definida como 3100 Erlangs. A dimensão OXC alvo é 64×64, e a escala MEMS das camadas de entrada e saída também é 64×64. As configurações do módulo Spanke-OXC da camada intermediária incluem especificações 32×32 ou 48×48. O número de portas T varia de 0 a 16, dependendo dos requisitos do cenário.
Os resultados mostram que, no cenário com dimensão direcional de D = 4, a probabilidade de bloqueio do HMWC-OXC é próxima à da linha de base tradicional do Spanke-OXC (S(64,4)). Por exemplo, usando a configuração v(64,2,32,0,4), a probabilidade de bloqueio aumenta em apenas aproximadamente 5% sob carga moderada. Quando a dimensão direcional aumenta para D = 8, a probabilidade de bloqueio aumenta devido ao "efeito tronco" e à diminuição do comprimento da fibra em cada direção. No entanto, esse problema pode ser efetivamente atenuado aumentando o número de portas T (por exemplo, a configuração v(64,2,48,16,8)).
Notavelmente, embora a adição de módulos de camada intermediária possa causar bloqueio interno devido à contenção da porta T, a arquitetura geral ainda pode atingir desempenho otimizado por meio de configuração apropriada.
Uma análise de custos destaca ainda mais as vantagens do HMWC-OXC, conforme mostrado na figura abaixo.
Figura: Probabilidade de bloqueio e custo de diferentes arquiteturas OXC
Em cenários de alta densidade com 80 comprimentos de onda/fibra, o HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) pode reduzir custos em 40% em comparação com o Spanke-OXC tradicional. Em cenários de baixo comprimento de onda (por exemplo, 50 comprimentos de onda/fibra), a vantagem de custo é ainda mais significativa devido ao número reduzido de portas T necessárias (por exemplo, v(64,2,36,4,64)).
Esse benefício econômico decorre da combinação da alta densidade de portas dos switches MEMS com uma estratégia de expansão modular, que não apenas evita o custo da substituição em larga escala de WSS, como também reduz custos incrementais ao reutilizar os módulos Spanke-OXC existentes. Os resultados da simulação também mostram que, ao ajustar o número de módulos de camada intermediária e a proporção de portas T, o HMWC-OXC consegue equilibrar de forma flexível o desempenho e o custo em diferentes configurações de capacidade e direção de comprimento de onda, proporcionando às operadoras oportunidades de otimização multidimensional.
Pesquisas futuras podem explorar ainda mais algoritmos de alocação dinâmica de portas T para otimizar a utilização de recursos internos. Além disso, com os avanços nos processos de fabricação de MEMS, a integração de switches de dimensões superiores aumentará ainda mais a escalabilidade dessa arquitetura. Para operadoras de redes ópticas, essa arquitetura é particularmente adequada para cenários com crescimento de tráfego incerto, fornecendo uma solução técnica prática para a construção de uma rede de backbone totalmente óptica resiliente e escalável.
Data de publicação: 21/08/2025