التطور التكنولوجي للوصلات البصرية المتقاطعة (OXC)

OXC (الوصلة الضوئية المتقاطعة) هي نسخة متطورة من ROADM (مضاعف الإضافة والإسقاط الضوئي القابل لإعادة التكوين).

باعتبارها العنصر الأساسي للتحويل في الشبكات الضوئية، فإن قابلية التوسع والفعالية من حيث التكلفة للوصلات الضوئية المتقاطعة (OXCs) لا تحدد فقط مرونة طوبولوجيا الشبكة، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على تكاليف إنشاء وتشغيل وصيانة الشبكات الضوئية واسعة النطاق. وتختلف أنواع الوصلات الضوئية المتقاطعة اختلافًا كبيرًا في التصميم المعماري والتنفيذ الوظيفي.

يوضح الشكل أدناه بنية CDC-OXC التقليدية (الوصلة الضوئية عديمة اللون والاتجاه والتنازع)، والتي تستخدم مفاتيح انتقائية للطول الموجي (WSSs). على جانب الخط، تعمل مفاتيح WSSs من نوع 1 × N و N × 1 كوحدات إدخال/إخراج، بينما تتولى مفاتيح WSSs من نوع M × K على جانب الإضافة/الإسقاط إدارة إضافة وإسقاط الأطوال الموجية. وترتبط هذه الوحدات فيما بينها عبر ألياف ضوئية داخل اللوحة الخلفية لـ OXC.

الشكل: بنية CDC-OXC التقليدية

ويمكن تحقيق ذلك أيضًا عن طريق تحويل اللوحة الخلفية إلى شبكة Spanke، مما ينتج عنه بنية Spanke-OXC الخاصة بنا.

الشكل: بنية Spanke-OXC

يوضح الشكل أعلاه أن وحدة التحكم في الشبكة (OXC) مرتبطة بنوعين من المنافذ على جانب الخط: منافذ اتجاهية ومنافذ ألياف ضوئية. يتوافق كل منفذ اتجاهي مع الاتجاه الجغرافي لوحدة التحكم في الشبكة في بنية الشبكة، بينما يمثل كل منفذ ألياف ضوئية زوجًا من الألياف ثنائية الاتجاه داخل المنفذ الاتجاهي. يحتوي المنفذ الاتجاهي على عدة أزواج من الألياف ثنائية الاتجاه (أي منافذ ألياف ضوئية متعددة).

رغم أن تقنية OXC القائمة على Spanke تحقق تبديلًا غير محظور تمامًا من خلال تصميم لوحة خلفية مترابطة بالكامل، إلا أن قيودها تزداد أهمية مع ازدياد حركة مرور الشبكة. فعدد المنافذ المحدود في محولات الطول الموجي الانتقائية التجارية (WSSs) (على سبيل المثال، الحد الأقصى الحالي المدعوم هو 1×48 منفذًا، مثل FlexGrid Twin 1×48 من Finisar) يعني أن توسيع أبعاد OXC يتطلب استبدال جميع الأجهزة، وهو أمر مكلف ويحول دون إعادة استخدام المعدات الموجودة.

حتى مع وجود بنية OXC عالية الأبعاد تعتمد على شبكات Clos، فإنها لا تزال تعتمد على وحدات WSS باهظة الثمن بحجم M×N، مما يجعل من الصعب تلبية متطلبات الترقية التدريجية.

لمعالجة هذا التحدي، اقترح الباحثون بنية هجينة جديدة: HMWC-OXC (شبكة كلوز الهجينة لأنظمة MEMS وWSS). من خلال دمج أنظمة MEMS وWSS، تحافظ هذه البنية على أداء شبه خالٍ من الانقطاعات مع دعمها لإمكانات "الدفع حسب النمو"، مما يوفر مسار ترقية فعال من حيث التكلفة لمشغلي الشبكات الضوئية.

يكمن التصميم الأساسي لـ HMWC-OXC في هيكل شبكة Clos ثلاثي الطبقات.

الشكل: بنية Spanke-OXC القائمة على شبكات HMWC

تُستخدم مفاتيح MEMS الضوئية عالية الأبعاد في طبقتي الإدخال والإخراج، مثل مقياس 512×512 الذي تدعمه التقنية الحالية، لتشكيل مجموعة منافذ ذات سعة كبيرة. تتكون الطبقة الوسطى من وحدات Spanke-OXC أصغر متعددة، متصلة فيما بينها عبر منافذ "T" لتخفيف الازدحام الداخلي.

في المرحلة الأولية، يمكن للمشغلين بناء البنية التحتية بالاعتماد على وحدات Spanke-OXC الحالية (مثلًا، بمقياس 4×4)، وذلك ببساطة عن طريق نشر مفاتيح MEMS (مثلًا، 32×32) في طبقتي الإدخال والإخراج، مع الإبقاء على وحدة Spanke-OXC واحدة في الطبقة الوسطى (في هذه الحالة، يكون عدد منافذ T صفرًا). ومع ازدياد متطلبات سعة الشبكة، تُضاف وحدات Spanke-OXC جديدة تدريجيًا إلى الطبقة الوسطى، ويتم تهيئة منافذ T لربط هذه الوحدات.

على سبيل المثال، عند توسيع عدد وحدات الطبقة الوسطى من واحد إلى اثنين، يتم تعيين عدد منافذ T إلى واحد، مما يزيد البعد الإجمالي من أربعة إلى ستة.

الشكل: مثال على HMWC-OXC

تتبع هذه العملية قيد المعلمة M > N × (S − T)، حيث:

يمثل M عدد منافذ MEMS،
يمثل N عدد وحدات الطبقة الوسيطة،
S هو عدد المنافذ في جهاز Spanke-OXC واحد، و
يمثل T عدد المنافذ المتصلة ببعضها البعض.

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 دفعة واحدة.

وللتحقق من الأداء الفعلي لهذه البنية، أجرى فريق البحث تجارب محاكاة بناءً على طلبات المسار البصري الديناميكي.

الشكل: أداء حجب شبكة HMWC

تستخدم المحاكاة نموذج حركة مرور إيرلانج، بافتراض أن طلبات الخدمة تتبع توزيع بواسون، وأن أوقات انتظار الخدمة تتبع توزيعًا أسيًا سالبًا. تم ضبط إجمالي حمل حركة المرور على 3100 إيرلانج. يبلغ بُعد OXC المستهدف 64×64، وكذلك مقياس MEMS لطبقة الإدخال والإخراج. تتضمن تكوينات وحدة Spanke-OXC للطبقة الوسطى مواصفات 32×32 أو 48×48. يتراوح عدد منافذ T من 0 إلى 16 حسب متطلبات السيناريو.

تُظهر النتائج أنه في حالة البُعد الاتجاهي D = 4، يكون احتمال انسداد HMWC-OXC قريبًا من احتمال انسداد خط الأساس Spanke-OXC التقليدي (S(64,4)). على سبيل المثال، باستخدام التكوين v(64,2,32,0,4)، يزداد احتمال الانسداد بنسبة 5% تقريبًا فقط تحت حمل متوسط. وعندما يزداد البُعد الاتجاهي إلى D = 8، يزداد احتمال الانسداد بسبب "تأثير الجذع" وانخفاض طول الألياف في كل اتجاه. ومع ذلك، يمكن التخفيف من هذه المشكلة بفعالية عن طريق زيادة عدد منافذ T (على سبيل المثال، التكوين v(64,2,48,16,8)).

والجدير بالذكر أنه على الرغم من أن إضافة وحدات الطبقة الوسطى يمكن أن تتسبب في حدوث حظر داخلي بسبب التنافس على منفذ T، إلا أن البنية العامة لا تزال قادرة على تحقيق أداء مثالي من خلال التكوين المناسب.

كما يوضح تحليل التكلفة مزايا HMWC-OXC، كما هو موضح في الشكل أدناه.

الشكل: احتمالية الحجب وتكلفة بنى OXC المختلفة

في سيناريوهات الكثافة العالية التي تتضمن 80 طول موجي/ليف، يمكن لتقنية HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) أن تخفض التكاليف بنسبة 40% مقارنةً بتقنية Spanke-OXC التقليدية. أما في سيناريوهات الأطوال الموجية المنخفضة (مثل 50 طول موجي/ليف)، فإن ميزة التكلفة تكون أكثر أهمية نظرًا لانخفاض عدد منافذ T المطلوبة (مثل v(64,2,36,4,64)).

تنبع هذه الميزة الاقتصادية من الجمع بين الكثافة العالية لمنافذ مفاتيح MEMS واستراتيجية التوسع المعيارية، التي لا تتجنب فقط تكلفة استبدال WSS على نطاق واسع، بل تقلل أيضًا من التكاليف الإضافية من خلال إعادة استخدام وحدات Spanke-OXC الحالية. كما تُظهر نتائج المحاكاة أنه من خلال ضبط عدد وحدات الطبقة الوسطى ونسبة منافذ T، يمكن لتقنية HMWC-OXC تحقيق توازن مرن بين الأداء والتكلفة في ظل تكوينات مختلفة لسعة الطول الموجي والاتجاه، مما يوفر للمشغلين فرصًا للتحسين متعدد الأبعاد.

يمكن للبحوث المستقبلية أن تستكشف بشكل أعمق خوارزميات تخصيص منافذ T الديناميكية لتحسين استخدام الموارد الداخلية. علاوة على ذلك، ومع التقدم في عمليات تصنيع الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS)، سيعزز دمج المحولات ذات الأبعاد الأعلى قابلية التوسع لهذه البنية. بالنسبة لمشغلي الشبكات الضوئية، تُعد هذه البنية مناسبة بشكل خاص للسيناريوهات ذات النمو غير المستقر لحركة البيانات، حيث توفر حلاً تقنياً عملياً لبناء شبكة أساسية ضوئية بالكامل مرنة وقابلة للتوسع.