Évolution technologique des commutateurs optiques (OXC)

OXC (connexion croisée optique) est une version évoluée de ROADM (multiplexeur d'insertion-extraction optique reconfigurable).

Élément central des réseaux optiques, les commutateurs optiques (OXC) doivent leur évolutivité et leur rentabilité à des facteurs déterminants : ils conditionnent la flexibilité des topologies de réseau et influent directement 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 (interconnexion optique sans couleur, sans direction et sans contention) classique, utilisant des commutateurs sélectifs en longueur d'onde (WSS). Côté ligne, des WSS 1 × N et N × 1 servent de modules d'entrée/sortie, tandis que des WSS M × K, côté insertion/extraction, gèrent l'ajout et la suppression de longueurs d'onde. Ces modules sont interconnectés par des fibres optiques au sein du fond de panier de l'OXC.

Figure : Architecture CDC-OXC traditionnelle

Ceci peut également être réalisé en convertissant le fond de panier en un réseau Spanke, ce qui donne 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 l'orientation 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 limitations deviennent de plus en plus importantes lorsque le trafic réseau augmente. La limite du nombre de ports 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) implique que l'extension de l'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 haute dimension basée sur des réseaux Clos, elle repose toujours sur des WSS M×N coûteux, ce qui rend difficile de répondre aux exigences de mise à niveau incrémentale.

Pour relever ce défi, des chercheurs ont proposé une nouvelle architecture hybride : HMWC-OXC (Hybrid MEMS and WSS Clos Network). En intégrant des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et des WSS, cette architecture garantit des performances quasi sans blocage tout en prenant en charge une évolutivité à la demande, offrant ainsi une solution de mise à niveau économique aux opérateurs de réseaux optiques.

La conception de base de HMWC-OXC repose sur sa structure de réseau Clos à trois couches.

Figure : Architecture Spanke-OXC basée sur les réseaux HMWC

Des commutateurs optiques MEMS haute dimension sont déployés aux niveaux d'entrée et de sortie, à l'échelle 512×512 actuellement prise en charge par la technologie, afin de constituer un pool de ports à grande capacité. La couche intermédiaire est composée de plusieurs modules Spanke-OXC plus petits, interconnectés par des ports en T pour réduire la congestion interne.

Dans un premier temps, les opérateurs peuvent construire l'infrastructure à partir de modules Spanke-OXC existants (par exemple, à l'échelle 4×4), en déployant simplement des commutateurs MEMS (par exemple, 32×32) aux niveaux d'entrée et de sortie, tout en conservant un seul module Spanke-OXC au niveau de 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'augmentation du nombre de modules de couche intermédiaire de un à deux, le nombre de ports T est fixé à un, ce qui augmente la dimension totale de quatre à six.

Figure : Exemple HMWC-OXC

Ce processus suit la contrainte paramétrique M > N × (S − T), où :

M représente le nombre de ports MEMS,
N représente le nombre de modules de couche intermédiaire,
S représente le nombre de ports dans un seul Spanke-OXC, et
T représente 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 en une seule 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 dynamiques.

Figure : Performances de blocage du réseau HMWC

La simulation utilise un modèle de trafic Erlang, supposant que les requêtes de service suivent une distribution de Poisson et les temps d'attente une distribution exponentielle négative. La charge de trafic totale est fixée à 3 100 Erlangs. La dimension cible de l'OXC est de 64 × 64, et l'échelle des MEMS des couches d'entrée et de sortie est également de 64 × 64. Les configurations du module Spanke-OXC de la 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, pour une dimension directionnelle D = 4, la probabilité de blocage du HMWC-OXC est proche de celle du Spanke-OXC de référence (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 une charge modérée. Lorsque la dimension directionnelle passe à D = 8, la probabilité de blocage augmente en raison de l'« effet de tronc » et de la diminution de la longueur des fibres 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 convient de noter que, même si l'ajout de modules de couche intermédiaire peut entraîner un blocage interne dû à la contention des ports T, l'architecture globale peut tout de même atteindre des performances optimales grâce à une configuration appropriée.

Une analyse des coûts met davantage 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 configurations haute densité (80 longueurs d'onde/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 configurations basse densité (par exemple, 50 longueurs d'onde/fibre), l'avantage économique est encore plus marqué grâce à la réduction du nombre de ports en T nécessaires (par exemple, v(64,2,36,4,64)).

Cet avantage économique découle de la combinaison de la haute densité de ports des commutateurs MEMS et d'une stratégie d'extension modulaire. Celle-ci permet non seulement d'éviter les coûts liés au remplacement à grande échelle des WSS, mais aussi de réduire les coûts marginaux grâce à la réutilisation des modules Spanke-OXC existants. Les résultats de simulation montrent également qu'en ajustant le nombre de modules de la couche intermédiaire et le ratio de ports en T, le HMWC-OXC peut optimiser le rapport performance/coût selon différentes configurations de capacité de longueur d'onde et de direction, offrant ainsi aux opérateurs de multiples possibilités d'optimisation.

Les recherches futures pourront approfondir l'étude des algorithmes d'allocation dynamique des ports T afin d'optimiser l'utilisation des ressources internes. De plus, grâce aux progrès des procédés de fabrication 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 du trafic incertaine, offrant une solution technique pratique pour la construction d'un réseau dorsal tout optique résilient et évolutif.