OXC(광 교차 연결)는 ROADM(재구성 가능 광 추가-분기 다중화기)의 진화된 버전입니다.
광 네트워크의 핵심 스위칭 요소인 광 교차 연결(OXC)의 확장성과 비용 효율성은 네트워크 토폴로지의 유연성을 결정할 뿐만 아니라 대규모 광 네트워크의 구축, 운영 및 유지보수 비용에도 직접적인 영향을 미칩니다. OXC의 종류에 따라 아키텍처 설계 및 기능 구현 방식이 크게 다릅니다.
아래 그림은 파장 선택 스위치(WSS)를 활용하는 기존 CDC-OXC(Colorless Directionless Contentionless Optical Cross-Connect) 아키텍처를 보여줍니다. 회선 측에서는 1 × N 및 N × 1 WSS가 입출력 모듈 역할을 하고, 추가/분기 측에서는 M × K WSS가 파장 추가 및 분기를 관리합니다. 이 모듈들은 OXC 백플레인 내에서 광섬유를 통해 상호 연결됩니다.
그림: 기존 CDC-OXC 아키텍처
백플레인을 Spanke 네트워크로 변환하여 Spanke-OXC 아키텍처를 구현함으로써 이를 달성할 수도 있습니다.
그림: Spanke-OXC 아키텍처
위 그림은 회선 측면에서 OXC가 방향성 포트와 파이버 포트라는 두 가지 유형의 포트와 연결되어 있음을 보여줍니다. 각 방향성 포트는 네트워크 토폴로지에서 OXC의 지리적 방향에 해당하며, 각 파이버 포트는 방향성 포트 내의 양방향 파이버 쌍을 나타냅니다. 방향성 포트는 여러 개의 양방향 파이버 쌍(즉, 여러 개의 파이버 포트)을 포함합니다.
Spanke 기반 OXC는 완전히 상호 연결된 백플레인 설계를 통해 엄격한 논블로킹 스위칭을 구현하지만, 네트워크 트래픽이 급증함에 따라 그 한계가 점점 더 커집니다. 상용 파장 선택 스위치(WSS)의 포트 수 제한(예: 현재 지원되는 최대 포트 수는 1×48개이며, Finisar의 FlexGrid Twin 1×48과 같은 경우)으로 인해 OXC 확장 시 모든 하드웨어를 교체해야 하며, 이는 비용이 많이 들고 기존 장비의 재사용을 불가능하게 합니다.
Clos 네트워크를 기반으로 한 고차원 OXC 아키텍처를 사용하더라도 여전히 값비싼 M×N WSS에 의존하기 때문에 점진적인 업그레이드 요구 사항을 충족하기 어렵습니다.
이러한 과제를 해결하기 위해 연구진은 새로운 하이브리드 아키텍처인 HMWC-OXC(Hybrid MEMS and WSS Clos Network)를 제안했습니다. 미세전자기계시스템(MEMS)과 WSS를 통합한 이 아키텍처는 거의 논블로킹(nonblocking) 수준의 성능을 유지하면서도 "성장에 따른 비용 지불(pay-as-you-grow)" 기능을 지원하여 광 네트워크 운영자에게 비용 효율적인 업그레이드 경로를 제공합니다.
HMWC-OXC의 핵심 설계는 3층 Clos 네트워크 구조에 있습니다.
그림: HMWC 네트워크 기반 Spanke-OXC 아키텍처
고차원 MEMS 광 스위치는 현재 기술로 지원되는 512x512 크기와 같은 입력 및 출력 계층에 배치되어 대용량 포트 풀을 형성합니다. 중간 계층은 내부 혼잡을 완화하기 위해 "T-포트"를 통해 상호 연결된 여러 개의 소형 Spanke-OXC 모듈로 구성됩니다.
초기 단계에서는 운영자가 기존 Spanke-OXC(예: 4×4 스케일)를 기반으로 인프라를 구축할 수 있으며, 입력 및 출력 계층에 MEMS 스위치(예: 32×32)를 배치하고 중간 계층에는 단일 Spanke-OXC 모듈(이 경우 T-포트 수는 0개)만 유지합니다. 네트워크 용량 요구 사항이 증가함에 따라 새로운 Spanke-OXC 모듈이 중간 계층에 점진적으로 추가되고, T-포트는 모듈 간 연결을 위해 구성됩니다.
예를 들어, 중간 계층 모듈의 개수를 1개에서 2개로 확장할 경우 T-포트의 개수는 1개로 설정되어 전체 크기는 4개에서 6개로 늘어납니다.
그림: HMWC-OXC 예시
이 프로세스는 매개변수 제약 조건 M > N × (S − T)를 따릅니다. 여기서:
M은 MEMS 포트의 수입니다.
N은 중간 계층 모듈의 수입니다.
S는 단일 Spanke-OXC의 포트 수이며,
T는 상호 연결된 포트의 수입니다.
HMWC-OXC는 이러한 매개변수를 동적으로 조정함으로써 모든 하드웨어 리소스를 한꺼번에 교체하지 않고도 초기 크기에서 목표 크기(예: 64×64)까지 점진적인 확장을 지원할 수 있습니다.
연구팀은 이 아키텍처의 실제 성능을 검증하기 위해 동적 광 경로 요청을 기반으로 시뮬레이션 실험을 수행했습니다.
그림: HMWC 네트워크의 차단 성능
시뮬레이션은 Erlang 트래픽 모델을 사용하며, 서비스 요청은 포아송 분포를 따르고 서비스 대기 시간은 음의 지수 분포를 따른다고 가정합니다. 총 트래픽 부하는 3,100 Erlang으로 설정됩니다. 목표 OXC 크기는 64×64이며, 입력 및 출력 계층 MEMS 크기도 64×64입니다. 중간 계층 Spanke-OXC 모듈 구성에는 32×32 또는 48×48 사양이 포함됩니다. T-포트 수는 시나리오 요구 사항에 따라 0개에서 16개까지입니다.
결과는 방향 차원이 D = 4인 시나리오에서 HMWC-OXC의 차단 확률이 기존 Spanke-OXC 기준선(S(64,4))과 유사함을 보여줍니다. 예를 들어, v(64,2,32,0,4) 구성을 사용하면 중간 부하에서 차단 확률이 약 5%만 증가합니다. 방향 차원이 D = 8로 증가하면 "트렁크 효과"와 각 방향의 파이버 길이 감소로 인해 차단 확률이 증가합니다. 그러나 이 문제는 T-포트 수를 늘리면(예: v(64,2,48,16,8) 구성) 효과적으로 완화할 수 있습니다.
특히, 중간 계층 모듈을 추가하면 T 포트 경합으로 인해 내부 차단이 발생할 수 있지만, 적절한 구성을 통해 전체 아키텍처는 여전히 최적화된 성능을 달성할 수 있습니다.
아래 그림에서 볼 수 있듯이 비용 분석을 통해 HMWC-OXC의 장점이 더욱 두드러집니다.
그림: 다양한 OXC 아키텍처의 차단 확률 및 비용
광섬유당 80파장의 고밀도 시나리오에서 HMWC-OXC(v(64,2,44,12,64))는 기존 Spanke-OXC에 비해 비용을 40% 절감할 수 있습니다. 저파장 시나리오(예: 광섬유당 50파장)에서는 필요한 T-포트 수가 감소하여 비용 이점이 더욱 커집니다(예: v(64,2,36,4,64)).
이러한 경제적 이점은 MEMS 스위치의 높은 포트 밀도와 모듈식 확장 전략의 결합에서 비롯됩니다. 모듈식 확장 전략은 대규모 WSS 교체 비용을 절감할 뿐만 아니라 기존 Spanke-OXC 모듈을 재사용하여 추가 비용을 절감합니다. 시뮬레이션 결과는 또한 HMWC-OXC가 중간 계층 모듈의 수와 T-포트 비율을 조정함으로써 다양한 파장 용량 및 방향 구성에서 성능과 비용의 균형을 유연하게 조절할 수 있음을 보여주며, 이를 통해 운영자에게 다차원적인 최적화 기회를 제공합니다.
향후 연구에서는 내부 리소스 활용을 최적화하기 위한 동적 T-포트 할당 알고리즘을 더욱 심도 있게 연구할 수 있습니다. 또한, MEMS 제조 공정의 발전과 함께 고차원 스위치의 통합은 이 아키텍처의 확장성을 더욱 향상시킬 것입니다. 광 네트워크 사업자에게 이 아키텍처는 트래픽 증가가 불확실한 상황에 특히 적합하며, 복원력과 확장성을 갖춘 전광 백본 네트워크 구축을 위한 실용적인 기술 솔루션을 제공합니다.
게시 시간: 2025년 8월 21일