OXC (optical cross-connect) คือเวอร์ชันที่พัฒนาแล้วของ ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer)
ในฐานะที่เป็นองค์ประกอบหลักในการสลับสัญญาณของเครือข่ายใยแก้วนำแสง ความสามารถในการขยายขนาดและความคุ้มค่าของอุปกรณ์เชื่อมต่อใยแก้วนำแสง (OXCs) ไม่เพียงแต่กำหนดความยืดหยุ่นของโครงสร้างเครือข่ายเท่านั้น แต่ยังส่งผลโดยตรงต่อต้นทุนการก่อสร้าง การดำเนินงาน และการบำรุงรักษาของเครือข่ายใยแก้วนำแสงขนาดใหญ่ด้วย OXCs ประเภทต่างๆ มีความแตกต่างอย่างมากในด้านการออกแบบทางสถาปัตยกรรมและการใช้งาน
ภาพด้านล่างแสดงสถาปัตยกรรม CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) แบบดั้งเดิม ซึ่งใช้สวิตช์เลือกความยาวคลื่น (WSS) ด้านสายส่ง สวิตช์ WSS ขนาด 1 × N และ N × 1 ทำหน้าที่เป็นโมดูลขาเข้า/ขาออก ในขณะที่สวิตช์ WSS ขนาด M × K ด้านเพิ่ม/ลดความยาวคลื่นจะจัดการการเพิ่มและการลดความยาวคลื่น โมดูลเหล่านี้เชื่อมต่อกันผ่านใยแก้วนำแสงภายในแผงวงจร OXC
ภาพประกอบ: สถาปัตยกรรม CDC-OXC แบบดั้งเดิม
นอกจากนี้ยังสามารถทำได้โดยการแปลงแบ็คเพลนเป็นเครือข่าย Spanke ซึ่งจะทำให้ได้สถาปัตยกรรม Spanke-OXC ของเรา
ภาพประกอบ: สถาปัตยกรรม Spanke-OXC
ภาพด้านบนแสดงให้เห็นว่าทางด้านสายส่ง OXC จะเชื่อมต่อกับพอร์ตสองประเภท ได้แก่ พอร์ตทิศทางและพอร์ตไฟเบอร์ พอร์ตทิศทางแต่ละพอร์ตจะสอดคล้องกับทิศทางทางภูมิศาสตร์ของ OXC ในโครงสร้างเครือข่าย ในขณะที่พอร์ตไฟเบอร์แต่ละพอร์ตแสดงถึงคู่ของไฟเบอร์แบบสองทิศทางภายในพอร์ตทิศทางนั้น พอร์ตทิศทางหนึ่งๆ จะประกอบด้วยคู่ไฟเบอร์แบบสองทิศทางหลายคู่ (กล่าวคือ พอร์ตไฟเบอร์หลายพอร์ต)
แม้ว่า OXC ที่ใช้ Spanke จะสามารถทำการสวิตช์แบบไม่ปิดกั้นได้อย่างสมบูรณ์แบบผ่านการออกแบบแบ็คเพลนที่เชื่อมต่อกันอย่างสมบูรณ์ แต่ข้อจำกัดของมันจะยิ่งชัดเจนขึ้นเมื่อปริมาณการรับส่งข้อมูลในเครือข่ายเพิ่มขึ้น ข้อจำกัดด้านจำนวนพอร์ตของสวิตช์เลือกความยาวคลื่น (WSS) ที่วางจำหน่ายทั่วไป (ตัวอย่างเช่น ปัจจุบันรองรับได้สูงสุด 1×48 พอร์ต เช่น FlexGrid Twin 1×48 ของ Finisar) หมายความว่าการขยายขนาดของ OXC จำเป็นต้องเปลี่ยนฮาร์ดแวร์ทั้งหมด ซึ่งมีค่าใช้จ่ายสูงและขัดขวางการนำอุปกรณ์ที่มีอยู่กลับมาใช้ใหม่
แม้จะมีสถาปัตยกรรม OXC มิติสูงที่ใช้เครือข่าย Clos แต่ก็ยังต้องพึ่งพา WSS ขนาด M×N ที่มีราคาแพง ทำให้ยากต่อการตอบสนองความต้องการในการอัปเกรดแบบเพิ่มทีละน้อย
เพื่อรับมือกับความท้าทายนี้ นักวิจัยได้เสนอสถาปัตยกรรมไฮบริดรูปแบบใหม่: HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network) โดยการบูรณาการระบบไมโครอิเล็กโทรเมคานิกส์ (MEMS) และ WSS สถาปัตยกรรมนี้รักษาประสิทธิภาพการทำงานที่เกือบจะไร้การปิดกั้น ในขณะเดียวกันก็รองรับความสามารถ "จ่ายตามการใช้งาน" ซึ่งเป็นเส้นทางการอัพเกรดที่คุ้มค่าสำหรับผู้ให้บริการเครือข่ายใยแก้วนำแสง
หัวใจหลักของการออกแบบ HMWC-OXC อยู่ที่โครงสร้างเครือข่าย Clos สามชั้น
ภาพ: สถาปัตยกรรม Spanke-OXC บนพื้นฐานของเครือข่าย HMWC
สวิตช์แสง MEMS มิติสูงถูกนำไปใช้ในชั้นอินพุตและเอาต์พุต เช่น ขนาด 512×512 ที่เทคโนโลยีปัจจุบันรองรับ เพื่อสร้างกลุ่มพอร์ตความจุขนาดใหญ่ ชั้นกลางประกอบด้วยโมดูล Spanke-OXC ขนาดเล็กหลายโมดูลที่เชื่อมต่อกันผ่าน "พอร์ตรูปตัว T" เพื่อลดความแออัดภายใน
ในระยะเริ่มต้น ผู้ให้บริการสามารถสร้างโครงสร้างพื้นฐานโดยใช้ Spanke-OXC ที่มีอยู่แล้ว (เช่น ขนาด 4×4) โดยติดตั้งสวิตช์ MEMS (เช่น 32×32) ที่ชั้นอินพุตและเอาต์พุต ในขณะที่คงโมดูล Spanke-OXC เพียงโมดูลเดียวไว้ในชั้นกลาง (ในกรณีนี้ จำนวนพอร์ต T เป็นศูนย์) เมื่อความต้องการความจุของเครือข่ายเพิ่มขึ้น โมดูล Spanke-OXC ใหม่จะถูกเพิ่มเข้าไปในชั้นกลางทีละน้อย และกำหนดค่าพอร์ต T เพื่อเชื่อมต่อโมดูลเหล่านั้น
ตัวอย่างเช่น เมื่อขยายจำนวนโมดูลชั้นกลางจากหนึ่งเป็นสอง จำนวนพอร์ต T จะถูกตั้งค่าเป็นหนึ่ง ทำให้ขนาดโดยรวมเพิ่มขึ้นจากสี่เป็นหก
ภาพประกอบ: ตัวอย่าง HMWC-OXC
กระบวนการนี้เป็นไปตามข้อจำกัดของพารามิเตอร์ M > N × (S − T) โดยที่:
M คือจำนวนพอร์ต MEMS
N คือจำนวนโมดูลชั้นกลาง
S คือจำนวนพอร์ตใน Spanke-OXC ตัวเดียว และ
T คือจำนวนพอร์ตที่เชื่อมต่อกัน
ด้วยการปรับพารามิเตอร์เหล่านี้แบบไดนามิก HMWC-OXC สามารถรองรับการขยายขนาดทีละน้อยจากขนาดเริ่มต้นไปจนถึงขนาดเป้าหมาย (เช่น 64×64) โดยไม่ต้องเปลี่ยนทรัพยากรฮาร์ดแวร์ทั้งหมดในคราวเดียว
เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพที่แท้จริงของสถาปัตยกรรมนี้ ทีมวิจัยได้ทำการทดลองจำลองโดยอิงจากคำขอเส้นทางแสงแบบไดนามิก
ภาพ: ประสิทธิภาพการบล็อกของเครือข่าย HMWC
การจำลองใช้แบบจำลองการจราจร Erlang โดยสมมติว่าคำขอใช้บริการเป็นไปตามการแจกแจงแบบปัวซง และเวลาคงค้างของบริการเป็นไปตามการแจกแจงแบบเลขชี้กำลังลบ ปริมาณการจราจรทั้งหมดถูกกำหนดไว้ที่ 3100 Erlang ขนาดของ OXC เป้าหมายคือ 64×64 และขนาดของ MEMS ในชั้นอินพุตและเอาต์พุตก็คือ 64×64 เช่นกัน การกำหนดค่าโมดูล Spanke-OXC ในชั้นกลางประกอบด้วยข้อกำหนด 32×32 หรือ 48×48 จำนวนพอร์ต T มีตั้งแต่ 0 ถึง 16 ขึ้นอยู่กับข้อกำหนดของสถานการณ์
ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่า ในสถานการณ์ที่มีมิติเชิงทิศทาง D = 4 ความน่าจะเป็นของการปิดกั้นของ HMWC-OXC นั้นใกล้เคียงกับค่าพื้นฐาน Spanke-OXC แบบดั้งเดิม (S(64,4)) ตัวอย่างเช่น การใช้การกำหนดค่า v(64,2,32,0,4) ความน่าจะเป็นของการปิดกั้นจะเพิ่มขึ้นเพียงประมาณ 5% ภายใต้ภาระปานกลาง เมื่อมิติเชิงทิศทางเพิ่มขึ้นเป็น D = 8 ความน่าจะเป็นของการปิดกั้นจะเพิ่มขึ้นเนื่องจาก "เอฟเฟกต์ลำต้น" และความยาวของเส้นใยที่ลดลงในแต่ละทิศทาง อย่างไรก็ตาม ปัญหานี้สามารถแก้ไขได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการเพิ่มจำนวนพอร์ต T (ตัวอย่างเช่น การกำหนดค่า v(64,2,48,16,8))
ที่สำคัญคือ แม้ว่าการเพิ่มโมดูลระดับกลางอาจทำให้เกิดการปิดกั้นภายในเนื่องจากการแย่งชิงพอร์ต T แต่สถาปัตยกรรมโดยรวมก็ยังสามารถบรรลุประสิทธิภาพสูงสุดได้ด้วยการกำหนดค่าที่เหมาะสม
การวิเคราะห์ต้นทุนยังเน้นย้ำถึงข้อดีของ HMWC-OXC ดังแสดงในรูปด้านล่าง
ภาพประกอบ: ความน่าจะเป็นในการปิดกั้นและต้นทุนของสถาปัตยกรรม OXC แบบต่างๆ
ในสถานการณ์ที่มีความหนาแน่นสูงด้วยความยาวคลื่น 80 ความยาวคลื่นต่อไฟเบอร์ HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) สามารถลดต้นทุนได้ 40% เมื่อเทียบกับ Spanke-OXC แบบดั้งเดิม ในสถานการณ์ที่มีความยาวคลื่นต่ำ (เช่น 50 ความยาวคลื่นต่อไฟเบอร์) ข้อได้เปรียบด้านต้นทุนจะยิ่งมีนัยสำคัญมากขึ้นเนื่องจากจำนวนพอร์ต T ที่ต้องการลดลง (เช่น v(64,2,36,4,64))
ประโยชน์ทางเศรษฐกิจนี้เกิดจากการผสมผสานระหว่างความหนาแน่นของพอร์ตสูงของสวิตช์ MEMS และกลยุทธ์การขยายแบบโมดูลาร์ ซึ่งไม่เพียงแต่หลีกเลี่ยงค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยน WSS ขนาดใหญ่เท่านั้น แต่ยังช่วยลดต้นทุนส่วนเพิ่มด้วยการนำโมดูล Spanke-OXC ที่มีอยู่มาใช้ซ้ำ ผลการจำลองยังแสดงให้เห็นว่า การปรับจำนวนโมดูลชั้นกลางและอัตราส่วนของพอร์ต T ทำให้ HMWC-OXC สามารถสร้างสมดุลระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุนได้อย่างยืดหยุ่นภายใต้ความจุความยาวคลื่นและการกำหนดค่าทิศทางที่แตกต่างกัน ซึ่งมอบโอกาสในการเพิ่มประสิทธิภาพแบบหลายมิติให้กับผู้ให้บริการ
งานวิจัยในอนาคตสามารถศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับอัลกอริธึมการจัดสรรพอร์ต T แบบไดนามิกเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้ทรัพยากรภายใน นอกจากนี้ ด้วยความก้าวหน้าในกระบวนการผลิต MEMS การบูรณาการสวิตช์ที่มีมิติสูงขึ้นจะช่วยเพิ่มความสามารถในการขยายขนาดของสถาปัตยกรรมนี้ให้ดียิ่งขึ้น สำหรับผู้ให้บริการเครือข่ายใยแก้วนำแสง สถาปัตยกรรมนี้เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสถานการณ์ที่มีการเติบโตของปริมาณการใช้งานที่ไม่แน่นอน โดยเป็นโซลูชันทางเทคนิคที่ใช้งานได้จริงสำหรับการสร้างเครือข่ายหลักแบบใยแก้วนำแสงทั้งหมดที่มีความยืดหยุ่นและปรับขนาดได้
วันที่เผยแพร่: 21 สิงหาคม 2568