OXC (التوصيل البصري المتقاطع) هو نسخة متطورة من ROADM (مضاعف الإضافة والإسقاط البصري القابل لإعادة التكوين).
باعتبارها العنصر الأساسي للتبديل في الشبكات الضوئية، فإن قابلية التوسع والفعالية من حيث التكلفة للوصلات الضوئية المتقاطعة (OXCs) لا تحدد مرونة طوبولوجيات الشبكة فحسب، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على تكاليف بناء وتشغيل وصيانة الشبكات الضوئية واسعة النطاق. وتُظهر أنواع OXCs المختلفة اختلافات كبيرة في التصميم المعماري والتنفيذ الوظيفي.
يوضح الشكل أدناه بنية CDC-OXC التقليدية (التوصيل البصري المتقاطع عديم اللون والاتجاه والتنازع) التي تستخدم مفاتيح انتقائية للأطوال الموجية (WSS). على جانب الخط، تعمل مفاتيح WSS 1 × N وN × 1 كوحدات دخول وخروج، بينما تتولى مفاتيح WSS M × K على جانب الإضافة/الحذف إضافة وحذف الأطوال الموجية. تتصل هذه الوحدات ببعضها عبر ألياف ضوئية داخل اللوحة الخلفية OXC.
الشكل: بنية CDC-OXC التقليدية
يمكن أيضًا تحقيق ذلك عن طريق تحويل اللوحة الخلفية إلى شبكة Spanke، مما يؤدي إلى بنية Spanke-OXC الخاصة بنا.
الشكل: بنية Spanke-OXC
يوضح الشكل أعلاه أن منفذ OXC، على جانب الخط، مرتبط بنوعين من المنافذ: المنافذ الاتجاهية ومنافذ الألياف. يتوافق كل منفذ اتجاهي مع الاتجاه الجغرافي لـ OXC في طوبولوجيا الشبكة، بينما يمثل كل منفذ ألياف زوجًا من الألياف ثنائية الاتجاه داخل المنفذ الاتجاهي. يحتوي المنفذ الاتجاهي على عدة أزواج من الألياف ثنائية الاتجاه (أي عدة منافذ ألياف).
بينما يحقق OXC القائم على Spanke تحويلًا غير مانع تمامًا من خلال تصميم لوحة خلفية مترابطة بالكامل، تزداد قيوده أهميةً مع ازدياد حركة مرور الشبكة. الحد الأقصى لعدد المنافذ في مفاتيح الطول الموجي الانتقائية التجارية (WSSs) (على سبيل المثال، الحد الأقصى الحالي المدعوم هو 1×48 منفذًا، مثل FlexGrid Twin من Finisar 1×48) يعني أن توسيع نطاق OXC يتطلب استبدال جميع الأجهزة، وهو أمر مكلف ويمنع إعادة استخدام المعدات الحالية.
حتى مع بنية OXC عالية الأبعاد المستندة إلى شبكات Clos، فإنها لا تزال تعتمد على أنظمة M×N WSS باهظة الثمن، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات الترقية التدريجية.
لمواجهة هذا التحدي، اقترح الباحثون بنية هجينة جديدة: HMWC-OXC (شبكة هجينة من الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وWSS). من خلال دمج الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS) وWSS، تحافظ هذه البنية على أداء شبه مستقر مع دعم إمكانيات "الدفع حسب النمو"، مما يوفر مسار ترقية فعال من حيث التكلفة لمشغلي الشبكات الضوئية.
يعتمد التصميم الأساسي لـ HMWC-OXC على بنية شبكة Clos المكونة من ثلاث طبقات.
الشكل: بنية Spanke-OXC المستندة إلى شبكات HMWC
تُستخدم مفاتيح بصرية MEMS عالية الأبعاد في طبقتي الإدخال والإخراج، مثل مقياس 512×512 الذي تدعمه التقنية الحالية، لتشكيل مجموعة منافذ كبيرة السعة. تتكون الطبقة الوسطى من عدة وحدات Spanke-OXC أصغر حجمًا، متصلة عبر "منافذ T" لتخفيف الازدحام الداخلي.
في المرحلة الأولية، يُمكن للمشغلين بناء البنية التحتية استنادًا إلى وحدات Spanke-OXC الحالية (مثلًا، بمقياس 4×4)، وذلك ببساطة عن طريق نشر مفاتيح MEMS (مثلًا، بمقياس 32×32) في طبقتي الإدخال والإخراج، مع الاحتفاظ بوحدة Spanke-OXC واحدة في الطبقة الوسطى (في هذه الحالة، يكون عدد منافذ T صفرًا). مع ازدياد متطلبات سعة الشبكة، تُضاف وحدات Spanke-OXC جديدة تدريجيًا إلى الطبقة الوسطى، وتُهيأ منافذ T لتوصيل الوحدات.
على سبيل المثال، عند توسيع عدد وحدات الطبقة الوسطى من واحدة إلى اثنتين، يتم ضبط عدد المنافذ T على واحد، مما يزيد البعد الإجمالي من أربعة إلى ستة.
الشكل: مثال HMWC-OXC
تتبع هذه العملية قيد المعلمة M > N × (S − T)، حيث:
M هو عدد منافذ MEMS،
N هو عدد وحدات الطبقة المتوسطة،
S هو عدد المنافذ في Spanke-OXC واحد، و
T هو عدد المنافذ المترابطة.
من خلال ضبط هذه المعلمات بشكل ديناميكي، يمكن لـ HMWC-OXC دعم التوسع التدريجي من مقياس أولي إلى بُعد مستهدف (على سبيل المثال، 64×64) دون استبدال جميع موارد الأجهزة مرة واحدة.
ولتحقق من الأداء الفعلي لهذه البنية، أجرى فريق البحث تجارب محاكاة تعتمد على طلبات المسار البصري الديناميكي.
الشكل: أداء الحظر لشبكة HMWC
تستخدم المحاكاة نموذج حركة مرور إرلانج، بافتراض أن طلبات الخدمة تتبع توزيع بواسون وأن أوقات توقف الخدمة تتبع توزيعًا أسيًا سلبيًا. تم ضبط إجمالي حمل الحركة على 3100 إرلانج. أبعاد OXC المستهدفة هي 64×64، ومقياس MEMS لطبقتي الإدخال والإخراج هو أيضًا 64×64. تتضمن تكوينات وحدة Spanke-OXC للطبقة الوسطى مواصفات 32×32 أو 48×48. يتراوح عدد منافذ T بين 0 و16 حسب متطلبات السيناريو.
تُظهر النتائج أنه في السيناريو ذي البعد الاتجاهي D = 4، يكون احتمال حجب HMWC-OXC قريبًا من احتمال خط الأساس التقليدي لـ Spanke-OXC (S(64,4)). على سبيل المثال، باستخدام التكوين v(64,2,32,0,4)، يزداد احتمال الحجب بنسبة 5% تقريبًا فقط تحت حمل متوسط. عندما يزداد البعد الاتجاهي إلى D = 8، يزداد احتمال الحجب بسبب "تأثير الجذع" وانخفاض طول الألياف في كل اتجاه. ومع ذلك، يمكن التغلب على هذه المشكلة بفعالية عن طريق زيادة عدد منافذ T (على سبيل المثال، التكوين v(64,2,48,16,8)).
ومن الجدير بالذكر أنه على الرغم من أن إضافة وحدات الطبقة المتوسطة يمكن أن تتسبب في حدوث حظر داخلي بسبب تنافس المنفذ T، فإن البنية الإجمالية لا تزال قادرة على تحقيق الأداء الأمثل من خلال التكوين المناسب.
ويسلط تحليل التكلفة الضوء بشكل أكبر على مزايا HMWC-OXC، كما هو موضح في الشكل أدناه.
الشكل: احتمالية الحظر وتكلفة بنيات OXC المختلفة
في سيناريوهات الكثافة العالية التي تحتوي على 80 طولًا موجيًا للألياف الضوئية، يمكن لـ HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) خفض التكاليف بنسبة 40% مقارنةً بـ Spanke-OXC التقليدي. أما في سيناريوهات الطول الموجي المنخفض (مثل 50 طولًا موجيًا للألياف الضوئية)، فتزداد ميزة التكلفة بشكل ملحوظ نظرًا لانخفاض عدد منافذ T المطلوبة (مثل v(64,2,36,4,64)).
تنبع هذه الفائدة الاقتصادية من الجمع بين كثافة المنافذ العالية لمفاتيح MEMS واستراتيجية التوسع المعياري، التي لا تتجنب فقط تكلفة استبدال WSS على نطاق واسع، بل تقلل أيضًا من التكاليف الإضافية من خلال إعادة استخدام وحدات Spanke-OXC الحالية. تُظهر نتائج المحاكاة أيضًا أنه من خلال تعديل عدد وحدات الطبقة الوسطى ونسبة منافذ T، يمكن لـ HMWC-OXC تحقيق توازن مرن بين الأداء والتكلفة في ظل تكوينات مختلفة لسعة واتجاه الطول الموجي، مما يوفر للمشغلين فرصًا متعددة الأبعاد للتحسين.
يمكن للأبحاث المستقبلية استكشاف خوارزميات تخصيص منافذ T الديناميكية لتحسين استخدام الموارد الداخلية. علاوة على ذلك، ومع التقدم في عمليات تصنيع الأنظمة الكهروميكانيكية الصغرى (MEMS)، سيعزز دمج المفاتيح عالية الأبعاد قابلية توسع هذه البنية. بالنسبة لمشغلي الشبكات الضوئية، تُعد هذه البنية مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات التي تشهد نموًا غير مؤكد في حركة المرور، مما يوفر حلاً تقنيًا عمليًا لبناء شبكة أساسية ضوئية بالكامل، مرنة وقابلة للتوسع.
وقت النشر: ٢١ أغسطس ٢٠٢٥