OXC (conector cruzado óptico) es una versión evolucionada de ROADM (multiplexor óptico reconfigurable de adición y extracción).
Como elemento central de conmutación en redes ópticas, la escalabilidad y la rentabilidad de los conectores ópticos cruzados (OXC) no solo determinan la flexibilidad de las topologías de red, sino que también influyen directamente en los costos de construcción, operación y mantenimiento de redes ópticas a gran escala. Los distintos tipos de OXC presentan diferencias significativas en su diseño arquitectónico e implementación funcional.
La figura siguiente ilustra una arquitectura CDC-OXC (conexiones ópticas cruzadas incoloras, sin dirección y sin contención) tradicional, que utiliza conmutadores selectivos de longitud de onda (WSS). En el lado de la línea, los WSS 1 × N y N × 1 funcionan como módulos de entrada/salida, mientras que los WSS M × K en el lado de adición/eliminación gestionan la adición y eliminación de longitudes de onda. Estos módulos están interconectados mediante fibras ópticas dentro del plano posterior OXC.
Figura: Arquitectura tradicional CDC-OXC
Esto también se puede lograr convirtiendo el plano posterior 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 con dos tipos de puertos: puertos direccionales y puertos de fibra. Cada puerto direccional corresponde a la dirección geográfica del OXC en la topología de la red, mientras que cada puerto de fibra representa un par de fibras bidireccionales dentro del puerto direccional. Un puerto direccional contiene múltiples pares de fibras bidireccionales (es decir, múltiples puertos de fibra).
Si bien el OXC basado en Spanke logra una conmutación estrictamente sin bloqueo mediante un diseño de plano posterior totalmente interconectado, 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 las dimensiones del OXC requiere reemplazar todo el hardware, lo cual es costoso e impide la reutilización del equipo existente.
Incluso con una arquitectura OXC de alta dimensión basada en redes Clos, sigue dependiendo 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 Clos Híbrida MEMS y WSS). Mediante la integración de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y WSS, esta arquitectura mantiene un rendimiento prácticamente sin bloqueos, a la vez que admite capacidades de pago por uso, lo que proporciona una ruta de actualización rentable para los operadores de redes ópticas.
El diseño fundamental del HMWC-OXC reside en su estructura de red Clos de tres capas.
Figura: Arquitectura Spanke-OXC basada en redes HMWC
En las capas de entrada y salida se utilizan conmutadores ópticos MEMS de alta dimensión, 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 varios módulos Spanke-OXC más pequeños, interconectados mediante puertos en T para aliviar la congestión interna.
En la fase inicial, los operadores pueden construir la infraestructura basándose en Spanke-OXC existente (por ejemplo, escala 4×4), simplemente desplegando conmutadores MEMS (por ejemplo, 32×32) en las capas de entrada y salida, y manteniendo un único 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 conectar los módulos.
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 único Spanke-OXC, y
T es el número de puertos interconectados.
Mediante el ajuste dinámico de estos parámetros, HMWC-OXC puede admitir una expansión gradual desde una escala inicial hasta una dimensión objetivo (por ejemplo, 64×64) sin necesidad de 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 dinámicas de trayectoria óptica.
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 de servicio siguen una distribución exponencial negativa. La carga total de tráfico se establece en 3100 Erlangs. La dimensión objetivo del OXC es de 64×64, y la escala MEMS de la capa de entrada y salida también es de 64×64. Las configuraciones del módulo Spanke-OXC de la 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 similar a la de la configuración Spanke-OXC tradicional (S(64,4)). Por ejemplo, con la configuración v(64,2,32,0,4), la probabilidad de bloqueo aumenta solo un 5 % aproximadamente bajo carga moderada. Al aumentar la dimensión direccional a D = 8, la probabilidad de bloqueo se incrementa debido al efecto de troncalización y a la disminución de la longitud de la fibra en cada dirección. Sin embargo, este problema se puede mitigar eficazmente aumentando el número de puertos T (por ejemplo, con la configuración v(64,2,48,16,8)).
Cabe destacar que, si bien la adición de módulos de capa intermedia puede provocar bloqueos internos debido a la contención de los puertos T, la arquitectura general aún puede lograr un rendimiento optimizado mediante una configuración adecuada.
Un análisis de costes pone de manifiesto, además, las ventajas del HMWC-OXC, como se muestra en la figura siguiente.
Figura: Probabilidad de bloqueo y coste de diferentes arquitecturas OXC.
En escenarios de alta densidad con 80 longitudes de onda por 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 (por ejemplo, 50 longitudes de onda por fibra), la ventaja en costos es aún más significativa debido a la menor cantidad de puertos T necesarios (por ejemplo, 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 reemplazar grandes sistemas WSS, sino que también reduce los costos 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 costo bajo diferentes configuraciones de capacidad y dirección de longitud de onda, lo que brinda a los operadores oportunidades de optimización multidimensional.
Futuras investigaciones podrán explorar algoritmos de asignación dinámica de puertos T para optimizar la utilización de recursos internos. Además, gracias a 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 resulta especialmente adecuada para escenarios con un crecimiento de tráfico incierto, proporcionando una solución técnica práctica para la construcción de una red troncal totalmente óptica, resiliente y escalable.
Fecha de publicación: 21 de agosto de 2025