مروری بر شبکه‌های نوری: فیبرنوری

هدف این نوشتار معرفی تکنولوژی‌های نوری است، به‌گونه‌ای که ضمن پوشش کلیه 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 حوزه 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 نحوه تغییرات ضریب دی‌الکتریک موجبر، دو نوع دیگر تار قابل تشخیص است: در نوع اول (تار پله‌ای)، ضریب شکست در مقطع هسته تار ثابت است ولی در نوع دوم (تار تدریجی)، ضریب شکست از مقدار ماکزیمم خود در مرکز تار، به صورت تدریجی، تا بدنه 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.

تفاوت فیبرهای نوری Multimode و Single Mode

تقریبا دیگر در هیچ شبکه بزرگی نمی توانید بدون استفاده از زیرساختارهای فیبرنوری شبکه را پیاده سازی کنید ، با گذشت هر سال فیبرهای نوری ثابت می کنند که آینده شبکه ها در دست آنهاست. شبکه های فیبر نوری امروزه در زیرساخت های مخابراتی به صورت گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند اما هنوز استفاده از آنها در شبکه های کوچک چندان مرسوم نیست. فیبر نوری همانطور که از نامش هم پیداست فیبری است که نور را انتقال می دهد ، این فیبر در واقع همان شیشه است با شفافیت بسیار بالا ، گفته می شود اگر از شیشه ای که در فیبر نوری استفاده شده است یک دریاچه به عمق 400 متر ایجاد کنیم ، آنقدر شفاف است که انتهای دریاچه به وضوع دیده می شود ، فیبر نوری در اصطلاح شبکه ای دارای نشتی نیست و شنود کردن اطلاعات از آن به سادگی شنود کابل مسی نیست ، در کابل مسی با قطع و وصل شدن برق ، صفر و یک تعریف می شود در حالیکه در فیبر نوری با قطع و وصل شدن نور صفر و یک تعریف می شود که به آن پالس نوری گفته می شود ، بصورت کلی طبقه بندی فیبرهای نوری به دو دسته انجام می شود ، فیبرهای نوری Multimode و فیبرهای نوری Single Mode ، مهمترین تفاوت بین فیبرهای نوری Multimode و Single Mode اندازه ، ظرفیت و هسته مورد استفاده در آنها است. هسته مورد استفاده در فیبرهای نوری Single Mode اندازه ای برابر 5 میکرومتر دارد و این در حالی است که هسته مورد استفاده در فیبرهای نوری Multimode اندازه ای برابر 50 میکرومتر یا حتی بیشتر دارد.

با توجه به اینکه فیبرهای نوری Multimode از قطر بیشتری برخوردارند ، می توانند پالس ها یا سیگنال های بیشتری را با پهنای باند بیشتر منتقل کنند. بنابراین برای بدست آوردن سرعت بهتر ، بهتر است از فیبرهای نوری Multimode به جای Single Mode استفاده شود زیرا در حالت استفاده از Single Mode برای بدست آوردن چنین پهنای باندی باید چندین فیبر Single Mode استفاده شود. اما مشکل استفاده از هسته ضخیم تر بالا رفتن میزان تضعیف پالس های نوری است. بالا رفتن ضخامت فیبر نوری باعث می شود در فواصل طولانی پالس های نوری تضعیف شوند و فاصله کمتری را طی کنند. به همین دلیل در زیرساخت های مخابراتی پیشنهاد می شود که برای فواصل طولانی از فیبرهای نوری Single Mode استفاده کنیم تا تضعیف پالس کمتری را شاهد باشیم. هر چند استفاده از فیبرهای نوری Single Mode باعث کاهش پهنای باند در مسیرهای طولانی می شود اما از این بهتر است که شما مجبور باشید با هزینه های آنچنانی در هر فاصله معینی یک دستگاه Repeater برای تقویت سیگنال خود نصب کنید که واقعا هزینه های زیرساختی را بالا می برد.

ارتباط فیبر نوری

تفاوت دیگری که در بین فیبرهای نوری Single Mode و Multimode وجود دارد نوع تجهیزاتی است که برای اتصال آنها استفاده می شود.. فیبرهای نوری Single Mode به دلیل داشتن اندازه ظریف هسته به تجهیزات خاصی از قبیل تجهیزات لیزری برای متمرکز کردن نور و تنظیم کردن دقیق آن نیاز دارند. شاید اینکار برای یک یا دو اتصال در یک سازمان چندان هزینه بردار نباشد اما زمانیکه صحبت از یک شبکه Campus بزرگ می شود این تجهیزات به شدت هزینه های فیبرکشی شما را افزایش خواهند داد. اما برخلاف فیبرهای نوری Single Mode همانطور که اشاره کردیم فیبرهای نوری Multimode دارای قطر بیشتری هستند و همین ضخامت فیبر بکار رفته در آنها باعث می شود نور بیشتری را انتقال دهند و اجازه استفاده از تجهیزات ارزان قیمت تری برای پیاده سازی و تست را می دهند ، بعضا از تجهیزات LED به جای تجهیزات لیزری در این نوع فیبرها می توان استفاده کرد. اگر هزینه های معقولی در پیاده سازی فیبرهای نوری در نظر گرفته شود طبیعتا به سرعت این نوع رسانه های ارتباطی جای کابل های مسیر را خواهند گرفت. بصورت کلی استفاده از فیبرهای Single Mode بیشتر در تجهیزات زیرساخت مخابراتی استفاده می شود حال آنکه استفاده از Multimode ها بیشتر در شبکه های داخلی و Campus ها رواج دارد.

تلفات تار نوری

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 محدودکننده عملکرد بهینه 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 پوسته 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 دایره 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 مسأله جدی محسوب نمی‌شود.

سیستم‌های انتقال نوری

اگر در یک شبکه نوری فیبرها به صورت بهینه انتخاب و نصب شوند، تنها مسأله باقی‌مانده در جهت افزایش پهنای باند ( که در کشور ما به خاطر افزایش نیاز کاربران شبکه است) اعمال تغییرات در سیستم‌های انتهایی شبکه نوری است. در حال حاضر، محدودیت در پهنای باند شبکه نوری، ناشی از محدودیت در تکنولوژی استفاده 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 اولیه شبکه 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 دهه 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 دهه 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 ایده 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 استفاده 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 ، هزینه 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 درمحدوه شهری، نیاز به استفاده از سیستم‌های باند وسیع، که در محدوده شهری صرفه اقتصادی داشته باشند، احساس شد. سیستم CWDM پاسخگوی این نیاز بود. در این سیستم، نسبت به سیستم DWDM ، تعداد طول موج‌های کمتر با “فاصله 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 هزینه 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 حوزه 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 حوزه 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.

معنای OM روی کابل های Fiber Optic

اولین نکته اینه که شما کلمه OM رو کابل های Multi-mode خواهید دید و مخفف “Optical Mode” می باشد که توسط استادارد ISO/IEC 11801 مشخص شده است.
دومین نکته تقسیم بندی کابل های فیبر براساس پهنای باند و حداکثر مسافت کابل های به عنوان دو فاکتور اصلی می باشد که کابل هارا به چهار دسته OM1 ، OM2 ، OM3 و OM4 تقسیم بندی می کند.

OM1 : این نوع کابل ها عموما به رنگ نارنجی هستند و سایز CORE آن 62.5 میکرومتر می باشد ، اصولا در شبکه های Fast Ethernet ازشون استفاده میشه و در شبکه 10 گیگابیت تا مسافت 33 متر کاربرد دارد.
OM2 : این نوع کابل ها نیز معمولا به رنگ نارنجی هستند و سایز CORE آن 50 میکرومتر شده است ، طول کابل در شبکه 10 گیگابیت به 83 متر افزایش پیدا کرده ولی عموما از این نوع کابل در شبکه های 1 گیگابیت استفاده می شود.
OM3 : رنگ این نوع کابل ها به رنگ آبی هستند و سایر CORE آنها مانند OM2 می باشد که به دلیل استفاده از فناوری لیزر تقویت شده اند تا بتوانند در شبکه های 10 گیگابیت مسافت بیشتری را طی کنند به علت افزایش کارایی قابلیت پشتیبانی از سرعت های 40 و 100 گیگابیت را نیز دارا می باشد ولی عموما در شبکه های 10 گیگابیت کابرد دارد.
OM4 : تمامی ویژگی های این کابل مانند OM3 می باشد با این تفاوت که قابلیت های آن افزایش پیدا کرده و در مسافت های طولانی تری می توان از این نوع کابل بهره برد.
OM5 : آخرین نوع استاندارد معرفی شده که به صورت سبز رنگ می باشد و برای شبکه های 40 گیگابیت و 100 گیگابیت تعریف شده است و قابلیت استفاده در مسافت های طولانی تر نسبت به OM4 را دارا می باشد.