OXC (conexión cruzada óptica) es una versión evolucionada de ROADM (multiplexor óptico reconfigurable de adición y eliminación).
Como elemento central de conmutación de las redes ópticas, la escalabilidad y la rentabilidad de las conexiones cruzadas ópticas (OXC) no solo determinan la flexibilidad de las topologías de red, sino que también inciden directamente en los costos de construcción, operación y mantenimiento de las redes ópticas a gran escala. Los diferentes tipos de OXC presentan diferencias significativas en cuanto a diseño arquitectónico e implementación funcional.
La figura a continuación ilustra una arquitectura CDC-OXC tradicional (Conexión cruzada óptica sin color, sin dirección y sin contención), que utiliza conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS). En el lado de la línea, 1 × N y N × 1 WSS actúan como módulos de entrada/salida, mientras que M × K WSS en el lado de adición/eliminación gestionan la adición y eliminación de longitudes de onda. Estos módulos están interconectados mediante fibra óptica dentro del backplane OXC.
Figura: Arquitectura tradicional CDC-OXC
Esto también se puede lograr convirtiendo la placa base en una red Spanke, lo que da como resultado nuestra arquitectura Spanke-OXC.
Figura: Arquitectura Spanke-OXC
La figura anterior muestra que, en el lado de la línea, el OXC está asociado a dos tipos de puertos: puertos direccionales y puertos de fibra. Cada puerto direccional corresponde a la dirección geográfica del OXC en la topología de red, mientras que cada puerto de fibra representa un par de fibras bidireccionales dentro del puerto direccional. Un puerto direccional contiene varios pares de fibras bidireccionales (es decir, varios puertos de fibra).
Si bien el OXC basado en Spanke logra una conmutación estrictamente sin bloqueos mediante un diseño de placa base completamente interconectada, sus limitaciones se vuelven cada vez más significativas a medida que aumenta el tráfico de red. El límite de puertos de los conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS) comerciales (por ejemplo, el máximo actual admitido es de 1×48 puertos, como el FlexGrid Twin 1×48 de Finisar) implica que ampliar la dimensión del OXC requiere reemplazar todo el hardware, lo cual resulta costoso e impide la reutilización del equipo existente.
Incluso con una arquitectura OXC de alta dimensión basada en redes Clos, aún depende de costosos WSS M×N, lo que dificulta cumplir con los requisitos de actualización incremental.
Para abordar este desafío, los investigadores han propuesto una novedosa arquitectura híbrida: HMWC-OXC (Red Híbrida de MEMS y WSS Clos). Al integrar sistemas microelectromecánicos (MEMS) y WSS, esta arquitectura mantiene un rendimiento prácticamente sin bloqueos, a la vez que admite la opción de pago por uso, lo que proporciona una vía de actualización rentable para los operadores de redes ópticas.
El diseño central de HMWC-OXC radica en su estructura de red Clos de tres capas.
Figura: Arquitectura Spanke-OXC basada en redes HMWC
Se implementan conmutadores ópticos MEMS de alta dimensión en las capas de entrada y salida, como la escala de 512×512 que admite la tecnología actual, para formar un conjunto de puertos de gran capacidad. La capa intermedia consta de múltiples módulos Spanke-OXC más pequeños, interconectados mediante puertos T para aliviar la congestión interna.
En la fase inicial, los operadores pueden construir la infraestructura basándose en el Spanke-OXC existente (p. ej., escala 4x4), simplemente implementando conmutadores MEMS (p. ej., 32x32) en las capas de entrada y salida, manteniendo un solo módulo Spanke-OXC en la capa intermedia (en este caso, el número de puertos T es cero). A medida que aumentan los requisitos de capacidad de la red, se añaden gradualmente nuevos módulos Spanke-OXC a la capa intermedia y se configuran los puertos T para conectarlos.
Por ejemplo, al ampliar el número de módulos de capa intermedia de uno a dos, el número de puertos T se establece en uno, lo que aumenta la dimensión total de cuatro a seis.
Figura: Ejemplo de HMWC-OXC
Este proceso sigue la restricción de parámetros M > N × (S − T), donde:
M es el número de puertos MEMS,
N es el número de módulos de capa intermedia,
S es el número de puertos en un solo Spanke-OXC, y
T es el número de puertos interconectados.
Al ajustar dinámicamente estos parámetros, HMWC-OXC puede admitir una expansión gradual desde una escala inicial a una dimensión objetivo (por ejemplo, 64×64) sin reemplazar todos los recursos de hardware a la vez.
Para verificar el rendimiento real de esta arquitectura, el equipo de investigación realizó experimentos de simulación basados en solicitudes de trayectoria óptica dinámica.
Figura: Rendimiento de bloqueo de la red HMWC
La simulación utiliza un modelo de tráfico Erlang, asumiendo que las solicitudes de servicio siguen una distribución de Poisson y los tiempos de espera del servicio siguen una distribución exponencial negativa. La carga total de tráfico se establece en 3100 Erlangs. La dimensión objetivo de OXC es de 64×64, y la escala MEMS de las capas de entrada y salida también es de 64×64. Las configuraciones del módulo Spanke-OXC de capa intermedia incluyen especificaciones de 32×32 o 48×48. El número de puertos T varía de 0 a 16, según los requisitos del escenario.
Los resultados muestran que, en el escenario con una dimensión direccional de D = 4, la probabilidad de bloqueo de HMWC-OXC es cercana a la de la línea base tradicional de Spanke-OXC (S(64,4)). Por ejemplo, utilizando la configuración v(64,2,32,0,4), la probabilidad de bloqueo aumenta solo aproximadamente un 5 % bajo carga moderada. Cuando la dimensión direccional aumenta a D = 8, la probabilidad de bloqueo aumenta debido al efecto troncal y a la disminución de la longitud de la fibra en cada dirección. Sin embargo, este problema se puede solucionar eficazmente aumentando el número de puertos T (por ejemplo, la configuración v(64,2,48,16,8)).
En particular, si bien la adición de módulos de capa intermedia puede provocar un bloqueo interno debido a la contención del puerto T, la arquitectura general aún puede lograr un rendimiento optimizado a través de una configuración adecuada.
Un análisis de costos resalta aún más las ventajas del HMWC-OXC, como se muestra en la siguiente figura.
Figura: Probabilidad de bloqueo y costo de diferentes arquitecturas OXC
En escenarios de alta densidad con 80 longitudes de onda/fibra, el HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) puede reducir los costos en un 40 % en comparación con el Spanke-OXC tradicional. En escenarios de baja longitud de onda (p. ej., 50 longitudes de onda/fibra), la ventaja en costos es aún mayor debido a la menor cantidad de puertos T necesarios (p. ej., v(64,2,36,4,64)).
Este beneficio económico se deriva de la combinación de la alta densidad de puertos de los conmutadores MEMS y una estrategia de expansión modular, que no solo evita el gasto de la sustitución de WSS a gran escala, sino que también reduce los costes incrementales al reutilizar los módulos Spanke-OXC existentes. Los resultados de la simulación también muestran que, al ajustar el número de módulos de capa intermedia y la proporción de puertos T, HMWC-OXC puede equilibrar de forma flexible el rendimiento y el coste con diferentes configuraciones de capacidad y dirección de longitud de onda, lo que ofrece a los operadores oportunidades de optimización multidimensional.
Las investigaciones futuras podrán explorar con mayor profundidad los algoritmos de asignación dinámica de puertos T para optimizar el uso de recursos internos. Además, con los avances en los procesos de fabricación de MEMS, la integración de conmutadores de mayor dimensión mejorará aún más la escalabilidad de esta arquitectura. Para los operadores de redes ópticas, esta arquitectura es especialmente adecuada para escenarios con un crecimiento de tráfico incierto, ya que proporciona una solución técnica práctica para construir una red troncal totalmente óptica, resiliente y escalable.
Hora de publicación: 21 de agosto de 2025