مروری بر شبکه‌های انتقال و دسترسی نوری

● روش WDM
روش WDM به‌عنوان روش اصلی در انتقال اطلاعات در سیستم‌های نوری از اوایل دههٔ ۱۹۸۰ مورد توجه و استفاده قرار گرفته است. امروزه نیز تلاش‌های بسیاری برای استفادهٔ بهینه از این روش در کاربردهای مختلف، درحال انجام است. CWDM و DWDM دو روش اصلی مورد استفاده در شبکه‌های نوری است. متن حاضر در ادامهٔ سلسله مطالب مربوط به شبکه‌های نوری، به بررسی روش WDM و خصوصیات روش‌های CWDM و DWDM پرداخته است و آن‌ها را مورد مقایسه قرار داده است.
● روش WDM
اگر نگاهی به مشکلات فعلی صنعت مخابرات، به خصوص در زمینهٔ سرویس‌دهی به کاربران بیندازیم، به اهمیت WDM بیشتر پی خواهیم برد. اولین چالش پیش روی صنعت مخابرات، افزایش روزافزون تقاضا برای سرعت‌های بالاتر و در نتیجه پهنای باند بیشتر است؛ به‌طوری‌که برخی اعتقاد دارند ظرفیت لازم برای شبکه، هر شش ماه، دو برابر می‌شود.
دومین چالش اساسی موجود، تکنولوژی‌های گوناگونی است که برای عملیاتی کردن و استفاده از انواع شبکه به‌کار می‌روند IP ـ ATM و SONET از جملهٔ این موارد هستند که به‌طور گسترده‌ای مورد استفاده قرار می‌گیرند و هر یک مزایای خاص خود را دارا هستند؛ اما هر یک به تجهیزاتی برای تبدیل به یکدیگر نیاز دارند.
با استفاده از شبکه‌های نوری و روش WDM می‌توان تا حد زیادی این مشکلات را برطرف کرد. با استفاده از این روش، می‌توان به پهنای باندی تا ۱۶۰۰ گیگابیت در ثانیه دست یافت که با استفاده از این پهنای باند، می‌توان بیش از ۳۰ میلیون تماس تلفنی را فقط با استفاده از یک فیبر منتقل کرد و مشکل تکنولوژی‌های متفاوت نیز به‌راحتی حل می‌شود. با توجه به اینکه اطلاعات بر روی فیبر با استفاده از روش WDM بر روی طول موج‌های مختلفی ارسال می‌شود که مستقل از یکدیگر عمل می‌کنند، لذا می‌توان به‌راحتی انواع مختلف تکنولوژی را در این زمینه مورد استفاده قرار داد و خدمات مختلفی نظیر صوت، تصویر، اطلاعات و مولتی‌مدیا را به کاربران ارائه کرد.
● راه‌حل‌های افزایش ظرفیت در شبکه‌های نوری
برای افزایش ظرفیت شبکه، می‌بایست راه‌حلی انتخاب شود که اقتصادی باشد و کاربر را برای استفاده از آن ترغیب کند. اولین راه‌حلی که به ذهن می‌رسد، استفاده از تعداد بیشتری فیبر برای دسترسی به پهنای باند بالاتر است که این کار اصلاً به صرفه نیست؛ چرا که یک راه‌حل کاملاً سخت‌افزاری است که با صرف هزینه و وقت زیاد همراه است. ضمن آنکه استفاده از تعداد فیبر بیشتر، الزاماً امکان ارائه خدمات جدید را برای ISPها فراهم نمی‌آورد. راه‌حل دوم افزایش سرعت، استفاده از مالتی پلکسینگ زمانی TDM است که با تقسیم‌بندی زمانی امکان ارسال اطلاعات بیشتر را بر روی فیبر فراهم می‌آورد.
این روش به‌طور معمول بر روی شبکه‌های فعلی مخابرات استفاده می‌شود؛ اما افزایش ناگهانی سرعت با این روش امکان‌پذیر است. بنابر استانداردی که تعریف شده است، گام بعدی، دسترسی به سرعت ۴۰ Gbs پس از ۱۰ Gbs است که دستیابی به آن تنها با روش TDM و در آیندهٔ نزدیک امکان‌پذیر نخواهد بود و مستلزم پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی است. روش TDM هم‌اکنون در شبکه‌های انتقال براساس SONET که استاندارد آمریکای شمالی و SDH که استاندارد بین‌المللی است به‌کار می‌رود. قابل ذکر است که SONET و SDH استانداردهائی هستند که برای سیگنال‌های دیجیتالی تعریف شده‌اند و سرعت ارتباطات، ساختار بسته‌ها و رابط‌های نوری را استاندارد می‌کنند.
راه‌حل سومی نیز برای ISPها وجود دارد و آن استفاده از روش WDM است. در این روش، به هر یک از سیگنال‌های نوری ورودی، یک طول موج و یا یک فرکانس خاص داده می‌شود و سپس تمام سیگنال‌ها بر روی یک فیبر ارسال می‌شوند. از آنجا که هر یک از این طول موج‌ها مستقل از یکدیگر هستند و بر روی هم هیچ گونه تأثیری ندارند، این امکان را به ISPها می‌دهند تا از امکانات موجود شبکه به‌طور بهینه بهره بگیرند و بتوانند از تکنولوژی‌های مختلف استفاده کنند.
در واقع، WDM چندین سیگنال نوری را ترکیب می‌کند و آن‌ها را به‌صورت یک مجموعه، تقویت و ارسال می‌کند که این امر موجب افزایش ظرفیت خواهد شد. هر یک از این سیگنال‌ها می‌توانند سرعت‌های مختلف نظیر OC ۲۴- ، ۱۲-، -۳ و فرمت‌های گوناگون ATM، IP و SONET را داشته باشند.
اما آنچه که WDM را این چنین پرارزش و مفید ساخته است، تقویت‌کننده‌هائی هستند که سیگنال نوری را بدون تبدیل به سیگنال الکتریکی تقویت می‌کنند. این تقویت‌کننده‌ها پهنای باند مشخصی دارند و در این پهنای باند می‌توانند تا ۱۰۰ طول موج را تقویت کنند. تقویت‌کننده‌های EDFA و DBFA از جملهٔ این تقویت‌کننده‌ها هستند که به ترتیب در باند طول موجی ۱۵۶۰ ـ ۱۵۳۰ و ۱۶۱۰ ـ ۱۵۲۸ نانومتر استفاده می‌شوند.
به‌طور کلی می‌توان خصوصیات روش WDM را به‌صورت زیر برشمرد:
▪ فراهم آوردن سرعت‌های بالا بر روی یک فیبر تکی
▪ امکان استفاده از تجهیزات فعلی شبکه
▪ امکان استفاده از فرمت‌های متفاوت نظیر SONET، IP و ATM با سرعت‌های متفاوت
▪ ارائه خدمات جدید به کاربران براساس اختصاص طول موج که روشی کاملاً نرم‌افزاری است.
گام بعدی افزایش ظرفیت، استفاده همزمان از دو روش WDM و TDM است. در روش TDM، افزایش ظرفیت با افزایش سرعت بر روی یک خط ارتباطی انجام می‌شود. در حالی‌که در روش WDM، این‌کار با استفاده از طول موج‌های مختلف و در واقع افزایش خطوط ارتباطی صورت می‌گیرد. بنابراین با ترکیب این دو روش، می‌توان به ظرفیت بالاتر بر روی یک فیبر دست یافت و این امکان را همواره فراهم آورد تا با پیشرفت تکنولوژی ساخت قطعات الکترونیکی، آن را به‌طور مؤثری در افزایش سرعت شبکه‌های نوری به‌کار گرفت.
● DWDM و CWDM
محیط انتقال در شبکه‌های نوری، فیبر نوری است و باند طول موجی که می‌توان برای ارسال اطلاعات استفاده کرد بین ۱۲۶۰ تا ۱۶۲۵ نانومتر، یعنی پنجره‌های دوم و سوم مخابرات نوری است. لازم به ذکر است که پنجره اول مخابرات نوری در طول موج ۸۵۰ نانومتر و پنجره‌های دوم و سوم به ترتیب در طول موج‌های ۱۳۰۰ نانومتر با کمترین پاشندگی و ۱۵۵۰ نانومتر با کمترین تلفات هستند. این باند طول موجی که از آن برای انتقال اطلاعات بر روی فیبر استفاده می‌شود، به ۵ باند (جدول ۱)، تقسیم می‌شود که در روش‌های مختلف WDM به‌کار گرفته می‌شوند.
جدول ۱ ـ باندهای طول موجی انتقال اطلاعات بر روی فیبر
نام باند/محدودهٔ طول موج برحسب نانومتر
O-Band/۱۳۶۰-۱۲۶۰
E-Band/۱۴۶۰-۱۳۶۰
S-Band/۱۵۳۰-۱۴۶۰
C-Band/۱۵۶۵-۱۵۳۰
L-Band/۱۶۲۵-۱۵۶۵
برای استفادهٔ حداکثری از ظرفیت فیبر در روش WDM، باید فاصله بین طول موج‌هائی را که برای انتقال اطلاعات استفاده می‌شود، کم کرد تا اطلاعات بیشتری را بر روی یک فیبر ارسال کرد. لذا روش DWDM در اوایل دههٔ ۱۹۹۰ مطرح شد تا از فیبر برای انتقال اطلاعات در فواصل دور و شبکه‌های گسترده بهره گرفته شود. در روش DWDM فاصلهٔ بین کانال‌ها که برای ارسال اطلاعات استفاده می‌شود، ۴/۰ نانومتر است و هر کانال پهنای باندی تا ۱۰ گیگابیت در ثانیه را برای کاربران فراهم می‌آورد.
این روش در باند C و L به‌کار می‌رود و بین ۳۲ تا ۱۶۰ کانال ایجاد می‌شود که با این تعداد کانال، به پهنای باند ۱۶۰۰ ـ ۱۰۰ گیگابیت در ثانیه می‌توان دست یافت. اما لازم به ذکر است که این روش فقط برای ارسال اطلاعات برای فواصل دور مناسب است، زیرا تجهیزات جانبی این روش مانند نوع فیبر، لیزر، تکرارکننده‌ها و... از خصوصیاتی برخوردار هستند که میزان هزینه را به شدت افزایش می‌دهند، به‌طوری‌که قیمت تمام شده برای هر کانال، فقط برای ارسال اطلاعات به فواصل دور و شبکه‌های WAN به صرفه خواهد بود.
اگر بخواهیم این روش را در مناطق شهری و شبکه‌های Metropolitan و LAN به‌کار ببریم، هزینه تمام شده برای هر کاربر بسیار زیاد خواهد بود و به تبع آن تقاضای استفاده از آن نیز کاهش می‌یابد. این مشکلی بود که در اواخر دهه ۱۹۹۰ و سال ۲۰۰۰ بسیاری از شرکت‌های ارائه‌دهندهٔ خدمات با آن روبه‌رو بودند. در این زمان روش CWDM که در ابتداء دهه ۱۹۸۰ مطرح شده بود، مجدداً مورد توجه قرار گرفت. تفاوت اساسی CWDM با DWDM در فاصلهٔ بین کانال‌ها است.
در روش CWDM فاصلهٔ بین کانال‌ها ۲۰ نانومتر است و در باندها O , E , S , C و L به‌کار گرفته می‌شود. در این محدوده، طول موجی با ۸ تا ۱۶ کانال که هر یک پهنای باندی تا ۲.۵ گیگابیت در ثانیه (مطابق با ۱۶ـSTM) دارند، فراهم می‌آورند و می‌توان به پهنای باندی تا ۴۰ گیگابیت در ثانیه بر روی یک فیبر تکی دست یافت.
اما آنچه که امروزه باعث شده است تا CWDM بسیار مورد توجه قرار گیرد، هزینهٔ بسیار کم آن نسبت به DWDM است. روش CWDM که به‌طور گسترده در راه‌اندازی شبکه‌های FTTH و FTTC به‌کار گرفته می‌شود، تا فاصلهٔ ۷۰ کیلومتری به هیچ تکرار کننده‌ای برای ارسال اطلاعات با کیفیت مناسب نیاز ندارد و تا فاصله ۲۰۰ کیلومتری که فاصله مناسب برای استفاده از روش CWDM است، فقط به دو تکرار کننده در فواصل ۷۰ و ۱۴۰ کیلومتری نیاز است که مزیت بزرگی نسبت به DWDM محسوب می‌شود. می‌توان در این روش از تقویت‌کننده‌های EDFA در طول موج ۱۶۱۰ـ۱۵۳۰ نانومتر بهره برد. همچنین قیمت فرستنده ـ گیرنده و فیلتر در CWDM به ترتیب حدود ۲۵ درصد و ۵۰ درصد قیمت آن‌ها در DWDM است.
از دیگر مزیات روش CWDM می‌توان به قیمت کم لیزر تا یک‌سوم لیزرهای DWDM و قابلیت مجتمع‌سازی تجهیزات آن اشاره کرد (شکل ۳). با توجه به خصوصیاتی که ذکر شد، هزینهٔ تمام شده برای هر کانال در CWDM بین ۴۰ تا ۵۰ درصد ارزانتر از هزینه تمام شده برای هر کانال در روش DWDM است و راه‌حل مناسبی برای کاربردهائی با تعداد کانال کم است و برای تبدیل آن از یک سیستم تک کانال به چند کانال، هزینه کمی را باید پرداخت.

مجید رسولی دیسفانی ـ مینا فلاحی
مراجع:
www.iec.org, Jun ۲۰۰۵
V.Alwayn, Optical Network Design and implementation, Cisco Press, Mar. ۲۰۰۴

منبع : فصلنامه علمی تحلیلی مهندسی برق