OXC (connexion croisée optique) est une version évoluée de ROADM (multiplexeur optique reconfigurable d'ajout-extraction).
En tant qu'élément de commutation central des réseaux optiques, l'évolutivité et la rentabilité des interconnexions optiques (OXC) déterminent non seulement la flexibilité des topologies de réseau, mais ont également un impact direct sur les coûts de construction, d'exploitation et de maintenance des réseaux optiques à grande échelle. Les différents types d'OXC présentent des différences significatives en termes de conception architecturale et de mise en œuvre fonctionnelle.
La figure ci-dessous illustre une architecture CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) traditionnelle, qui utilise des commutateurs sélectifs en longueur d'onde (WSS). Côté ligne, les WSS 1 × N et N × 1 servent de modules d'entrée/sortie, tandis que les WSS M × K côté ajout/extraction gèrent l'ajout et l'extraction de longueurs d'onde. Ces modules sont interconnectés via des fibres optiques au sein du fond de panier de l'OXC.
Figure : Architecture traditionnelle CDC-OXC
Cela peut également être réalisé en convertissant le fond de panier en un réseau Spanke, ce qui donne naissance à notre architecture Spanke-OXC.
Figure : Architecture Spanke-OXC
La figure ci-dessus montre que, côté ligne, l'OXC est associé à deux types de ports : les ports directionnels et les ports fibre. Chaque port directionnel correspond à la direction géographique de l'OXC dans la topologie du réseau, tandis que chaque port fibre représente une paire de fibres bidirectionnelles au sein du port directionnel. Un port directionnel contient plusieurs paires de fibres bidirectionnelles (c'est-à-dire plusieurs ports fibre).
Bien que l'OXC basé sur Spanke assure une commutation strictement non bloquante grâce à une conception de fond de panier entièrement interconnectée, ses limites deviennent de plus en plus importantes avec l'augmentation du trafic réseau. Le nombre de ports limité des commutateurs sélectifs en longueur d'onde (WSS) commerciaux (par exemple, le maximum actuellement pris en charge est de 1 × 48 ports, comme le FlexGrid Twin 1 × 48 de Finisar) signifie que l'extension de la dimension OXC nécessite le remplacement de tout le matériel, ce qui est coûteux et empêche la réutilisation des équipements existants.
Même avec une architecture OXC de grande dimension basée sur les réseaux Clos, elle repose toujours sur des WSS M×N coûteux, ce qui rend difficile la satisfaction des exigences de mise à niveau incrémentielle.
Pour relever ce défi, les chercheurs ont proposé une nouvelle architecture hybride : HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). En intégrant des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et WSS, cette architecture maintient des performances quasi non bloquantes tout en prenant en charge des fonctionnalités de paiement à la demande, offrant ainsi une solution de mise à niveau économique aux opérateurs de réseaux optiques.
La conception principale du HMWC-OXC réside dans sa structure de réseau Clos à trois couches.
Figure : Architecture Spanke-OXC basée sur les réseaux HMWC
Des commutateurs optiques MEMS de grande dimension sont déployés aux couches d'entrée et de sortie, comme l'échelle 512×512 actuellement prise en charge par la technologie actuelle, pour former un pool de ports de grande capacité. La couche intermédiaire est constituée de plusieurs modules Spanke-OXC plus petits, interconnectés via des ports en T pour réduire la congestion interne.
Dans un premier temps, les opérateurs peuvent construire l'infrastructure à partir du Spanke-OXC existant (par exemple, à l'échelle 4×4), en déployant simplement des commutateurs MEMS (par exemple, 32×32) aux couches d'entrée et de sortie, tout en conservant un seul module Spanke-OXC dans la couche intermédiaire (dans ce cas, le nombre de ports T est nul). À mesure que les besoins en capacité du réseau augmentent, de nouveaux modules Spanke-OXC sont progressivement ajoutés à la couche intermédiaire, et des ports T sont configurés pour les connecter.
Par exemple, lors de l'extension du nombre de modules de couche intermédiaire de un à deux, le nombre de ports T est défini sur un, augmentant la dimension totale de quatre à six.
Figure : Exemple HMWC-OXC
Ce processus suit la contrainte de paramètre M > N × (S − T), où :
M est le nombre de ports MEMS,
N est le nombre de modules de couche intermédiaire,
S est le nombre de ports dans un seul Spanke-OXC, et
T est le nombre de ports interconnectés.
En ajustant dynamiquement ces paramètres, HMWC-OXC peut prendre en charge une expansion progressive d'une échelle initiale à une dimension cible (par exemple, 64 × 64) sans remplacer toutes les ressources matérielles à la fois.
Pour vérifier les performances réelles de cette architecture, l’équipe de recherche a mené des expériences de simulation basées sur des demandes de chemin optique dynamique.
Figure : Performances de blocage du réseau HMWC
La simulation utilise un modèle de trafic Erlang, en supposant que les requêtes de service suivent une distribution de Poisson et que les temps d'attente suivent une distribution exponentielle négative. La charge de trafic totale est fixée à 3 100 Erlangs. La dimension OXC cible est de 64 × 64, et l'échelle MEMS des couches d'entrée et de sortie est également de 64 × 64. Les configurations du module Spanke-OXC de couche intermédiaire incluent des spécifications 32 × 32 ou 48 × 48. Le nombre de ports T varie de 0 à 16 selon les exigences du scénario.
Les résultats montrent que, dans le scénario avec une dimension directionnelle de D = 4, la probabilité de blocage du HMWC-OXC est proche de celle de la configuration de base Spanke-OXC traditionnelle (S(64,4)). Par exemple, avec la configuration v(64,2,32,0,4), la probabilité de blocage n'augmente que d'environ 5 % sous charge modérée. Lorsque la dimension directionnelle augmente à D = 8, la probabilité de blocage augmente en raison de l'« effet de jonction » et de la diminution de la longueur de la fibre dans chaque direction. Cependant, ce problème peut être efficacement atténué en augmentant le nombre de ports en T (par exemple, la configuration v(64,2,48,16,8)).
Il est à noter que, bien que l’ajout de modules de couche intermédiaire puisse provoquer un blocage interne en raison d’une contention de port T, l’architecture globale peut toujours atteindre des performances optimisées grâce à une configuration appropriée.
Une analyse des coûts met en évidence les avantages du HMWC-OXC, comme le montre la figure ci-dessous.
Figure : Probabilité de blocage et coût des différentes architectures OXC
Dans les scénarios à haute densité avec 80 longueurs d'onde par fibre, le HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) permet de réduire les coûts de 40 % par rapport au Spanke-OXC traditionnel. Dans les scénarios à faible longueur d'onde (par exemple, 50 longueurs d'onde par fibre), l'avantage de coût est encore plus significatif grâce au nombre réduit de ports T requis (par exemple, v(64,2,36,4,64)).
Cet avantage économique résulte de la combinaison de la forte densité de ports des commutateurs MEMS et d'une stratégie d'extension modulaire, qui non seulement évite les coûts liés au remplacement à grande échelle des WSS, mais réduit également les coûts différentiels grâce à la réutilisation des modules Spanke-OXC existants. Les résultats de simulation montrent également qu'en ajustant le nombre de modules de couche intermédiaire et le ratio de ports T, le HMWC-OXC permet d'équilibrer avec souplesse performances et coûts sous différentes configurations de longueur d'onde, de capacité et de direction, offrant ainsi aux opérateurs des opportunités d'optimisation multidimensionnelle.
Les recherches futures pourront explorer plus en détail les algorithmes d'allocation dynamique de ports T afin d'optimiser l'utilisation des ressources internes. De plus, grâce aux progrès des procédés de fabrication des MEMS, l'intégration de commutateurs de plus grande dimension améliorera encore l'évolutivité de cette architecture. Pour les opérateurs de réseaux optiques, cette architecture est particulièrement adaptée aux scénarios de croissance incertaine du trafic, offrant une solution technique pratique pour la construction d'un réseau fédérateur tout optique résilient et évolutif.
Date de publication : 21 août 2025