光クロスコネクト（OXC）の技術進化

OXC (光クロスコネクト) は、ROADM (再構成可能な光アドドロップマルチプレクサ) の進化版です。

光ネットワークの中核スイッチング要素である光クロスコネクト（OXC）の拡張性と費用対効果は、ネットワークトポロジの柔軟性を決定づけるだけでなく、大規模光ネットワークの構築、運用・保守コストにも直接影響を与えます。OXCの種類によって、アーキテクチャ設計と機能実装には大きな違いがあります。

下の図は、波長選択スイッチ（WSS）を用いた従来のCDC-OXC（Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect）アーキテクチャを示しています。回線側では、1×NおよびN×1のWSSが入力/出力モジュールとして機能し、アド/ドロップ側ではM×KのWSSが波長の追加とドロップを管理します。これらのモジュールは、OXCバックプレーン内で光ファイバーを介して相互接続されます。

図: 従来のCDC-OXCアーキテクチャ

これは、バックプレーンを Spanke ネットワークに変換することでも実現でき、結果として Spanke-OXC アーキテクチャが生まれます。

図: Spanke-OXCアーキテクチャ

上の図は、回線側においてOXCが方向性ポートとファイバポートの2種類のポートに関連付けられていることを示しています。各方向性ポートは、ネットワークトポロジにおけるOXCの地理的な方向に対応し、各ファイバポートは方向性ポート内の双方向ファイバペアを表します。方向性ポートには、複数の双方向ファイバペア（つまり、複数のファイバポート）が含まれます。

SpankeベースのOXCは、完全に相互接続されたバックプレーン設計により、厳密にノンブロッキングなスイッチングを実現しますが、ネットワークトラフィックの急増に伴い、その限界はますます顕著になります。市販の波長選択スイッチ（WSS）のポート数制限（例えば、現在サポートされている最大ポート数はFinisarのFlexGrid Twin 1×48など1×48ポート）のため、OXCの規模を拡張するにはすべてのハードウェアを交換する必要があり、コストがかさみ、既存機器の再利用を妨げます。

Clos ネットワークに基づく高次元 OXC アーキテクチャであっても、高価な M×N WSS に依存しているため、段階的なアップグレード要件を満たすことが困難です。

この課題に対処するため、研究者らは新たなハイブリッドアーキテクチャ、HMWC-OXC（Hybrid MEMS and WSS Clos Network）を提案しました。このアーキテクチャは、微小電気機械システム（MEMS）とWSSを統合することで、ほぼノンブロッキングなパフォーマンスを維持しながら「成長に合わせた拡張性」をサポートし、光ネットワーク事業者に費用対効果の高いアップグレードパスを提供します。

HMWC-OXC のコア設計は、3 層の Clos ネットワーク構造にあります。

図: HMWCネットワークに基づくSpanke-OXCアーキテクチャ

入力層と出力層には、現在の技術でサポートされている512×512スケールといった高次元MEMS光スイッチが配置され、大容量のポートプールを形成します。中間層は、複数の小型Spanke-OXCモジュールで構成され、「Tポート」を介して相互接続され、内部の輻輳を緩和します。

初期段階では、事業者は既存のSpanke-OXC（例：4×4スケール）をベースにインフラを構築し、入力層と出力層にMEMSスイッチ（例：32×32）を配置するだけで済みます。中間層にはSpanke-OXCモジュールを1つだけ残しておきます（この場合、Tポートの数は0です）。ネットワーク容量の要件が増加するにつれて、新しいSpanke-OXCモジュールが中間層に徐々に追加され、モジュールを接続するためのTポートが構成されます。

たとえば、中間層モジュールの数を 1 個から 2 個に拡張する場合、T ポートの数を 1 に設定して、合計次元を 4 個から 6 個に増やします。

図: HMWC-OXCの例

このプロセスはパラメータ制約M > N × (S − T)に従います。ここで、

MはMEMSポートの数であり、
Nは中間層モジュールの数であり、
Sは単一のSpanke-OXCのポート数であり、
T は相互接続されたポートの数です。

これらのパラメータを動的に調整することにより、HMWC-OXC は、すべてのハードウェア リソースを一度に交換することなく、初期スケールからターゲット サイズ (例: 64×64) への段階的な拡張をサポートできます。

このアーキテクチャの実際のパフォーマンスを検証するために、研究チームは動的な光パス要求に基づくシミュレーション実験を実施しました。

図: HMWCネットワークのブロッキング性能

シミュレーションでは、サービスリクエストがポアソン分布に従い、サービスホールドタイムが負の指数分布に従うと仮定し、アーラントラフィックモデルを使用します。総トラフィック負荷は3100アーランに設定されています。ターゲットOXCの寸法は64×64、入出力層のMEMSスケールも64×64です。中間層のSpanke-OXCモジュール構成には、32×32または48×48の仕様が含まれます。Tポートの数は、シナリオ要件に応じて0～16の範囲です。

結果は、方向次元D = 4のシナリオにおいて、HMWC-OXCのブロッキング確率が従来のSpanke-OXCベースライン（S(64,4)）のブロッキング確率に近いことを示しています。例えば、v(64,2,32,0,4)構成では、中程度の負荷下ではブロッキング確率は約5%しか増加しません。方向次元がD = 8に増加すると、「トランク効果」と各方向のファイバー長の減少により、ブロッキング確率が増加します。ただし、この問題はTポートの数を増やすことで効果的に緩和できます（例えば、v(64,2,48,16,8)構成）。

特に、中間層モジュールを追加すると T ポートの競合により内部ブロッキングが発生する可能性がありますが、全体的なアーキテクチャは適切な構成を通じて最適化されたパフォーマンスを実現できます。

下の図に示すように、コスト分析により HMWC-OXC の利点がさらに強調されます。

図: さまざまなOXCアーキテクチャのブロッキング確率とコスト

1ファイバーあたり80波長の高密度シナリオでは、HMWC-OXC（v(64,2,44,12,64)）は従来のSpanke-OXCと比較してコストを40%削減できます。低波長シナリオ（例：1ファイバーあたり50波長）では、必要なTポート数が減少するため、コストメリットはさらに大きくなります（例：v(64,2,36,4,64)）。

この経済的メリットは、MEMSスイッチの高ポート密度とモジュール式拡張戦略の組み合わせから生まれます。これにより、大規模なWSS交換コストを回避できるだけでなく、既存のSpanke-OXCモジュールを再利用することで増分コストを削減できます。また、シミュレーション結果では、中間層モジュールの数とTポートの比率を調整することで、HMWC-OXCはさまざまな波長容量と方向構成において、パフォーマンスとコストのバランスを柔軟に調整できることが示されており、事業者に多次元的な最適化の機会を提供します。

今後の研究では、内部リソースの利用を最適化するための動的Tポート割り当てアルゴリズムをさらに探求することができます。さらに、MEMS製造プロセスの進歩に伴い、高次元スイッチの統合により、このアーキテクチャのスケーラビリティはさらに向上します。光ネットワーク事業者にとって、このアーキテクチャはトラフィック増加が不確実なシナリオに特に適しており、回復力と拡張性に優れた全光バックボーンネットワークを構築するための実用的な技術ソリューションを提供します。