مروری بر شبکه‌های نوری

هدف این نوشتار معرفی تکنولوژی‌های نوری است، به‌گونه‌ای که ضمن پوشش کلیة مباحث مرتبط بتواند درک مناسبی در این زمینه ارایه کند:
تار نوری و کابل نوری
در دهه ۷۰ میلادی استفاده از تار نوری برای انتقال بهینه اطلاعات به صورت جدی توجه محققین کشورهای آمریکا، ژاپن و انگلیس را به خود جلب کرد. از آن تاریخ، پیشرفت‌های چشمگیری در زمینه‌های مختلف ارتباطات نوری صورت گرفته است. رشد این تکنولوژی به حدی سریع است که پروسسورهای لازم برای پردازش اطلاعات حمل شده، بعضاً دچار محدودیت سرعت پردازش می‌شوند. به همین دلیل، انجام پردازش در حوزة نوری در کانون توجهات قرار گرفته است. آنچه که آشکار به نظر می‌رسد این است که تا مدتها برای انتقال اطلاعات با سرعت بالا جایگزینی برای فیبر نوری نخواهد آمد. تار نوری، به عنوان محیط حامل سیگنال نوری، در حقیقت یک موجبر دی‌الکتریک با مقطع استوانه‌ای است. نور به عنوان حامل اطلاعات، درون این تار منتشر می‌شود. معمولاً در سیستم‌های انتقال، مجموعه‌ای از چند تار نوری تحت عنوان کابل نوری برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود.
انواع تار نوری
بسته به تعداد مُدهای الکترومغناطیسی قابل حمل توسط تار، تار نوری به دو صورت تک‌مُدی و چندمُدی مورد استفاده قرار می‌گیرد. علاوه بر این، بسته به نحوة تغییرات ضریب دی‌الکتریک موجبر، دو نوع دیگر تار قابل تشخیص است: در نوع اول (تار پله‌ای)، ضریب شکست در مقطع هستة تار ثابت است ولی در نوع دوم (تار تدریجی)، ضریب شکست از مقدار ماکزیمم خود در مرکز تار، به صورت تدریجی، تا بدنة تار کاهش می‌یابد. تار تک‌مُدی به صورت پله‌ای و تار چندمُدی به دو صورت پله‌ای و تدریجی استفاده می‌شود. بنابراین سه نوع تار نوری داریم: تک‌مُدی، چندمُدی تدریجی و چندم ُدی پله‌ای؛ نوع اول دارای بیشترین نرخ انتقال اطلاعات و کمترین تضعیف و نوع سوم دارای کمترین نرخ انتقال اطلاعات و بیشترین تضعیف است. تارهای نوری همچنین بسته به مصارف مختلفی که دارند، در اندازه‌ها و با مشخصات متفاوت ساخته می‌شوند؛ طبعاً مشخصات فیزیکی کابل نوری از لحاظ پوشش و محافظ برای کاربردهای کانالی، خاکی، هوایی و دریایی متفاوت خواهد بود.
آیا تار نوری تلفات دارد؟
به صورت تئوری فرض می‌شود که تار نوری دارای تضعیف صفر و پهنای باند بی‌نهایت است؛ ولی در عمل به دلیل محدودیت‌های فیزیکی، پهنای باند تار محدود و تلفات آن غیر صفر است.
تلفات در تار نوری از سه منبع ناشی می‌شود:
۱- نوع اول تضعیف‌ها در اثر ناخالصی‌های موجود در تار است که باعث اتلاف انرژی می‌شود (تلفات جذب).
۲- نوع دوم ناشی از غیر‌همگن بودن چگالی شیشه در طول تار است که باعث پراکندگی نور و تضعیف آن در طول تار می‌شود (تلفات پراکندگی)
۳- نوع سوم ناشی از خمش تار یا غیر یکنواختی شعاع تار است که منجر به خروج شعاع نوری از تار می‌شود (تلفات هندسی).
غیر از تلفات، عامل دیگر محدودکنندة عملکرد بهینة تار، پاشندگی اس ت. پاشندگی به زبان ساده عبارت است از پهن‌شدن پالس نوری در اثر انتشار در طول تار. پاشندگی باعث کاهش پهنای باند تار نوری می‌شود. عوامل پاشندگی در تار نوری بسیار متنوع هستند:
۱- پاشندگی مُدی در تارهای چندمُدی به علت اختلاف در زمان رسیدن مدهای مختلف به انتهای تار رخ می‌دهد.
۲- پاشندگی ماده‌ای ناشی از اختلاف سرعت بین طول موج‌های مختلف (رنگ‌های مختلف) موجود در نور در اثر عبور از تار نوری است.
۳- پاشندگی موجبر در تارهای تک‌مُدی که ناشی از اختلاف جزئی بین ضریب‌های دی‌الکتریک هسته و پوستة تار نوری است باعث انتشار نور در دو مسیر هسته و پوسته با سرعت‌های متفاوت می‌شود.
۴- پاشندگی رنگی در واقع مجموع دو پاشندگی موجبر و ماده است. این پاشندگی به طول موج منبع نوری وابسته است.
۵- پاشندگی مد پلاریزه، که در ساده‌ترین حالت ناشی از دایرة کامل نبودن مقطع تار است، به دلیل اختلاف بین سرعت انتشار دو مد پلاریزه رخ می‌دهد. این پاشندگی در سرعت‌های بالای ۱۰ گیگابیت بر ثانیه رخ می‌دهد و در سرعت‌های پایین مسألة جدی محسوب نمی‌شود.
سیستم‌های انتقال نوری
اگر در یک شبکة نوری فیبرها به صورت بهینه انتخاب و نصب شوند، تنها مسألة باقی‌مانده در جهت افزایش پهنای باند ( که در کشور ما به خاطر افزایش نیاز کاربران شبکه است) اعمال تغییرات در سیستم‌های انتهایی شبکة نوری است. در حال حاضر، محدودیت در پهنای باند شبکة نوری، ناشی از محدودیت در تکنولوژی استفادة بهینه از پهنای باند فیبر نوری است. در نتیجه، در سطح ملی و بین‌المللی، افزایش چندین برابر پهنای باند سیستم‌های نوری، فقط با صرف هزینه‌های اندک ممکن خواهد شد. این مسأله اهمیت استفاده از کابل‌های نوری با کیفیت بالا را در پیاده‌سازی اولیة شبکة انتقال نشان می‌دهد. در واقع تحولات صورت‌گرفته در راستای بهینه‌سازی شبکه‌های نوری، عمدتاً به صورت تغییر در ساختار عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ است.
مطالب فنی تکمیلی:
۱-تکامل شبکه‌های انتقال نوری
استفاده از فیبرهای نوری برای انتقال سیگنال‌های باند وسیع، عملاً با معرفی سیستم‌هایی به نام "سلسله‌مراتب دیجیتال نیمه‌همزمان (PDH ) " عملی گشت. "سلسله‌مراتب" در این اصطلاح به این معنی است که ارسال اطلاعات با نرخ‌های انتقال بالاتر، با استفاده از ترکیب نرخ‌های انتقال پایین، ممکن می‌شود. "همزمانی" نیز به معنی استفاده از یک سیگنال مرجع واحد در سیستم برای انجام عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ است.
این سیستم برای ارتباطات نقطه به نقطه بهینه شده بود و محدودیت دسترسی به نرخ‌های انتقال بالاتر، عمدتاً ناشی از خود استاندارد بود و نه تکنولوژی. در ضمن، این سیستم برای پهنای باند مورد نیاز دهة ۸۰ میلادی پاسخگو بود. ولی با افزایش شدید نیاز به پهنای باند بالا و نیز لزوم استفاده از فیبر نوری برای ارتباطات نقطه به چند نقطه (مثل آن چیزی که برای ارتباطات درون شهری نیاز است) کاربری خود را از دست داد. با معرفی سیستم‌های "سلسله مراتب دیجیتال همزمان (SDH ) " در اوایل دهة ۹۰ میلادی، بسیاری از کاستی‌های سیستم قبلی برطرف گشت. در این سیستم یک نرخ بیت پایه ( ۱۵۵ مگابیت بر ثانیه یا STM-۱) برای انتقال اطلاعات در نظر گرفته می‌شود. استاندارد به گونه‌ای طراحی شده است که نرخ بیت‌های بالاتر به صورت مضرب صحیحی از ۴ برابر این نرخ بیت پایه ساخته می‌شوند (STM-۴، STM-۱۶ و STM-۶۴) . در این زمینه، هیچ محدودیتی برای سقف نرخ بیت ارسالی از دیدگاه استاندارد وجود ندارد و تکنولوژی عامل محدودیت است. در این سیستم، ارسال با نرخ‌های بالاتر از طریق عملیات مالتی‌پلکس زمانی (TDM) صورت می‌گیرد. با گسترش روزافزون تقاضا برای پهنای باندهای بیشتر، برخلاف انتظار، این سیستم نیز قادر به برآوردن این نیاز نشد. طبعاً ساده‌ترین راهی که برای حل این مشکل به نظر می‌رسید، خواباندن فیبرهای بیشتر درون خاک بود. این روش غیر از اینکه هزینه‌های هنگفتی را برای گسترش شبکه اعمال می‌کرد، هیچ ضمانتی را برای برطرف کردن نیاز در سال‌های آینده نمی‌داد. در واقع، این مشکل به دلیل محدودیت تکنولوژی بروز کرده بود و طبعاً با گذشت زمان حالت حادتر به خود می‌گرفت؛ تا اینکه ایدة استفاده از چند طول موج در یک فیبر (WDM) به عنوان راه‌حلی بلند‌مدت برای این مشکل مطرح شد. البته این ایده در روزهای آغازین استفاده از فیبر نوری برای انتقال اطلاعات مطرح شده بود، ولی در آن زمان محدودیت تکنولوژی امکان استفادة عملی از آن را نمی‌داد. کلید حل این مشکل در استفاده از تقویت‌کننده‌های نوری بود که عملیات تقویت سیگنال نوری را بدون تبدیل آن به سیگنال الکتریکی انجام می‌دهند. به مرور زمان، استفاده از حداکثر طول موج در فیبر (DWDM ) مد نظر قرار گرفت. امروزه نیز با استفاده از این تکنولوژی، امکان ارسال ۱۶۰ طول موج در یک فیبر که هریک نرخ ارسال اطلاعات ۸۰ گیگابیت بر ثانیه دارند (۱۲۸۰۰ گیگابیت یا حدود ۱۳ ترابیت بر ثانیه!)، ممکن شده است.
غیر از افزایش پهنای باند در سیستم DWDM ، هزینة تجهیزات برای افزایش پهنای باند بسیار کمتر از سیستم SDH است. دلیل این مسأله نیز این است که در DWDM افزایش پهنای باند نیازی به افزودن تعداد تکرارکننده‌ها ندارد. سیستم DWDM برای کاربردهای راه دور طراحی و بهینه شده است. با افزایش حجم ترافیک درمحدوة شهری، نیاز به استفاده از سیستم‌های باند وسیع، که در محدودة شهری صرفة اقتصادی داشته باشند، احساس شد. سیستم CWDM پاسخگوی این نیاز بود. در این سیستم، نسبت به سیستم DWDM ، تعداد طول موج‌های کمتر با "فاصلة بین طول موج" بیشتر استفاده می‌شود. در واقع تمایز بین نرخ افزایش ترافیک شهری و ترافیک بین‌شهری منجر به به کارگیری سیستم CWDM برای مناطق شهری شد. در مناطق شهری نرخ افزایش ترافیک کمتر از مناطق بین‌شهری است. به عبارت دیگر، در ترافیک‌های شهری هزینة سیستم DWDM به ازای هر کانال خیلی بیشتر از سیستم CWDM است.
۲-مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ
در سیستم‌های PDH و SDH ، عملیات مالتی‌پلکسینگ و سوئیچینگ در حوزة الکتریکی صورت می‌گیرد. به عنوان مثال، در ورودی مالتی‌پلکسر سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی تبدیل شده، در صورت نیاز عملیات سوئیچینگ روی سیگنال‌های الکتریکی صورت گرفته و بعد از تبدیل به رده‌های بالای مالتی‌پلکس، مجدداً به سیگنال نوری تبدیل می‌شود. محدودیت سرعت پردازنده‌های الکتریکی و تکنولوژی ارسال این رده‌ها روی فیبرهای نوری، دستیابی به نرخ‌های ارسال بالاتر را محدود می‌کند. با معرفی سیستم DWDM و نیاز به انجام عملیات مالتی‌پلکسینگ در سرعت‌های بالاتر، انجام مالتی‌پلکسینگ در حوزة نوری اهمیت یافت. این مالتی‌پلکسرها روی طول موج‌های متفاوت سیگنال‌های نوری ورودی و خروجی عمل می‌کنند. در صورتیکه انجام سوئیچینگ بین کانال‌های موجود روی یک طول موج نیاز باشد، باید این عملیات توسط سوئیچ‌های الکتریکی صورت گیرد. این عملیات، باعث کاهش سرعت انتقال اطلاعات و کاهش قابلیت مدیریت دینامیک کانال‌ها می‌شود.

منبع : شبکه تحلیلگران تکنولوژی ایران