Evolusi Teknologi Optical Cross-Connect (OXC)

OXC (optical cross-connect) merupakan versi pengembangan dari ROADM (Reconfigurable Optical Add-Drop Multiplexer).

Sebagai elemen switching inti jaringan optik, skalabilitas dan efektivitas biaya optical cross-connect (OXC) tidak hanya menentukan fleksibilitas topologi jaringan, tetapi juga berdampak langsung pada biaya konstruksi, operasi, dan pemeliharaan jaringan optik skala besar. Berbagai jenis OXC menunjukkan perbedaan yang signifikan dalam desain arsitektur dan implementasi fungsional.

Gambar di bawah ini mengilustrasikan arsitektur CDC-OXC (Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) tradisional, yang menggunakan sakelar selektif panjang gelombang (WSS). Di sisi saluran, WSS 1 × N dan N × 1 berfungsi sebagai modul masuk/keluar, sementara WSS M × K di sisi tambah/lepas mengelola penambahan dan pengurangan panjang gelombang. Modul-modul ini saling terhubung melalui serat optik di dalam bidang belakang OXC.

Gambar: Arsitektur CDC-OXC Tradisional

Hal ini juga dapat dicapai dengan mengubah backplane menjadi jaringan Spanke, sehingga menghasilkan arsitektur Spanke-OXC kami.

Gambar: Arsitektur Spanke-OXC

Gambar di atas menunjukkan bahwa pada sisi saluran, OXC terhubung dengan dua jenis port: port terarah dan port serat. Setiap port terarah berhubungan dengan arah geografis OXC dalam topologi jaringan, sementara setiap port serat mewakili sepasang serat dwiarah di dalam port terarah tersebut. Sebuah port terarah berisi beberapa pasang serat dwiarah (yaitu, beberapa port serat).

Meskipun OXC berbasis Spanke mencapai peralihan non-pemblokiran yang ketat melalui desain backplane yang sepenuhnya terhubung, keterbatasannya menjadi semakin signifikan seiring lonjakan lalu lintas jaringan. Batas jumlah port pada sakelar selektif panjang gelombang (WSS) komersial (misalnya, jumlah maksimum yang didukung saat ini adalah port 1x48, seperti FlexGrid Twin 1x48 dari Finisar) berarti bahwa perluasan dimensi OXC memerlukan penggantian semua perangkat keras, yang mahal dan mencegah penggunaan kembali peralatan yang ada.

Bahkan dengan arsitektur OXC berdimensi tinggi berdasarkan jaringan Clos, ia masih bergantung pada WSS M×N yang mahal, sehingga sulit memenuhi persyaratan peningkatan bertahap.

Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti telah mengusulkan arsitektur hibrida baru: HMWC-OXC (Hybrid MEMS dan WSS Clos Network). Dengan mengintegrasikan sistem mikroelektromekanis (MEMS) dan WSS, arsitektur ini mempertahankan kinerja yang mendekati non-pemblokiran sekaligus mendukung kemampuan "bayar sesuai pertumbuhan", menyediakan jalur peningkatan yang hemat biaya bagi operator jaringan optik.

Desain inti HMWC-OXC terletak pada struktur jaringan Clos tiga lapisnya.

Gambar: Arsitektur Spanke-OXC Berbasis Jaringan HMWC

Sakelar optik MEMS berdimensi tinggi diterapkan pada lapisan input dan output, seperti skala 512×512 yang saat ini didukung oleh teknologi terkini, untuk membentuk kumpulan port berkapasitas besar. Lapisan tengah terdiri dari beberapa modul Spanke-OXC yang lebih kecil, yang saling terhubung melalui "port-T" untuk mengurangi kemacetan internal.

Pada tahap awal, operator dapat membangun infrastruktur berdasarkan Spanke-OXC yang ada (misalnya, skala 4x4), cukup dengan menerapkan sakelar MEMS (misalnya, 32x32) pada lapisan input dan output, sambil tetap mempertahankan satu modul Spanke-OXC di lapisan tengah (dalam hal ini, jumlah port-T adalah nol). Seiring dengan peningkatan kebutuhan kapasitas jaringan, modul Spanke-OXC baru secara bertahap ditambahkan ke lapisan tengah, dan port-T dikonfigurasi untuk menghubungkan modul-modul tersebut.

Misalnya, saat memperluas jumlah modul lapisan tengah dari satu menjadi dua, jumlah T-port ditetapkan menjadi satu, sehingga meningkatkan dimensi total dari empat menjadi enam.

Gambar: Contoh HMWC-OXC

Proses ini mengikuti batasan parameter M > N × (S − T), di mana:

M adalah jumlah port MEMS,
N adalah jumlah modul lapisan menengah,
S adalah jumlah port dalam satu Spanke-OXC, dan
T adalah jumlah port yang saling terhubung.

Dengan menyesuaikan parameter ini secara dinamis, HMWC-OXC dapat mendukung perluasan bertahap dari skala awal ke dimensi target (misalnya, 64×64) tanpa mengganti semua sumber daya perangkat keras sekaligus.

Untuk memverifikasi kinerja aktual arsitektur ini, tim peneliti melakukan eksperimen simulasi berdasarkan permintaan jalur optik dinamis.

Gambar: Kinerja Pemblokiran Jaringan HMWC

Simulasi ini menggunakan model lalu lintas Erlang, dengan asumsi permintaan layanan mengikuti distribusi Poisson dan waktu tunggu layanan mengikuti distribusi eksponensial negatif. Total beban lalu lintas ditetapkan sebesar 3100 Erlang. Dimensi OXC target adalah 64×64, dan skala MEMS lapisan input dan output juga 64×64. Konfigurasi modul Spanke-OXC lapisan tengah mencakup spesifikasi 32×32 atau 48×48. Jumlah T-port berkisar antara 0 hingga 16, tergantung pada kebutuhan skenario.

Hasil menunjukkan bahwa, dalam skenario dengan dimensi arah D = 4, probabilitas pemblokiran HMWC-OXC mendekati probabilitas dasar Spanke-OXC tradisional (S(64,4)). Misalnya, dengan menggunakan konfigurasi v(64,2,32,0,4), probabilitas pemblokiran hanya meningkat sekitar 5% pada beban sedang. Ketika dimensi arah meningkat menjadi D = 8, probabilitas pemblokiran meningkat karena "efek trunk" dan penurunan panjang serat di setiap arah. Namun, masalah ini dapat diatasi secara efektif dengan menambah jumlah port-T (misalnya, konfigurasi v(64,2,48,16,8)).

Khususnya, meskipun penambahan modul lapisan tengah dapat menyebabkan pemblokiran internal karena perebutan port-T, arsitektur keseluruhan masih dapat mencapai kinerja yang dioptimalkan melalui konfigurasi yang tepat.

Analisis biaya lebih lanjut menyoroti keunggulan HMWC-OXC, seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah.

Gambar: Probabilitas Pemblokiran dan Biaya Arsitektur OXC yang Berbeda

Dalam skenario kepadatan tinggi dengan 80 panjang gelombang/serat, HMWC-OXC (v(64,2,44,12,64)) dapat mengurangi biaya hingga 40% dibandingkan dengan Spanke-OXC tradisional. Dalam skenario panjang gelombang rendah (misalnya, 50 panjang gelombang/serat), keunggulan biaya bahkan lebih signifikan karena berkurangnya jumlah port-T yang dibutuhkan (misalnya, v(64,2,36,4,64)).

Manfaat ekonomi ini berasal dari kombinasi kepadatan port yang tinggi pada switch MEMS dan strategi ekspansi modular, yang tidak hanya menghindari biaya penggantian WSS skala besar tetapi juga mengurangi biaya tambahan dengan menggunakan kembali modul Spanke-OXC yang ada. Hasil simulasi juga menunjukkan bahwa dengan menyesuaikan jumlah modul lapisan tengah dan rasio port-T, HMWC-OXC dapat secara fleksibel menyeimbangkan kinerja dan biaya pada berbagai kapasitas panjang gelombang dan konfigurasi arah, memberikan peluang optimasi multidimensi bagi operator.

Penelitian di masa mendatang dapat mengeksplorasi lebih lanjut algoritma alokasi T-port dinamis untuk mengoptimalkan pemanfaatan sumber daya internal. Lebih lanjut, dengan kemajuan dalam proses manufaktur MEMS, integrasi switch berdimensi lebih tinggi akan semakin meningkatkan skalabilitas arsitektur ini. Bagi operator jaringan optik, arsitektur ini sangat cocok untuk skenario dengan pertumbuhan lalu lintas yang tidak menentu, memberikan solusi teknis praktis untuk membangun jaringan backbone optik yang tangguh dan skalabel.