برق , مهندسی 536 بازدید

در راستای تکمیل مجموعه مقالات مجله فرادرس در زمینه مخابرات فیبر نوری، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به بررسی شبکه‌های نوری FTTX به خصوص حالت خاصی از آن یعنی FTTH بپردازیم. پیشنهاد می‌کنیم تا قبل از مطالعه این مقاله، ۳ مقاله زیر که پیش‌نیازی بر این مقاله هستند را از مجله فرادرس، مطالعه فرمایید.

  • «فیبر نوری — به زبان ساده»: در این مقاله به طور جامع به فیزیک و ساختار فیبرهای نوری پرداخته و با کاربرد‌های مختلف آن (مخابراتی، پزشکی و ..) آشنا می‌شوید.
فیبر نوری
شکل (۱): شماتیکی از ساختار فیبر نوری (هسته و پوسته) و نمایش مداری آن
  • «مخابرات فیبر نوری — راهنمای جامع»: در این مقاله روند تکامل نسل‌های مختلف مخابرات فیبر نوری (۶ نسل) به طور کامل بررسی شده است. همچنین با تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم (EDFA) که نقش مهمی در پیشرفت مخابرات فیبر نوری داشته، آشنا می‌شوید.
باندهای طول موج مخابرات نوری
شکل (۲): باند‌های مختلف طول موجی در مخابرات فیبر نوری. طول موج معروف $$1550nm$$ در باند مخابراتی C قرار دارد. لازم به ذکر است که باند‌های مخابرات فیبر نوری همگی در ناحیه مادون قرمز قرار دارند.
  • «مخابرات نوری — از صفر تا صد»: در این مقاله یک لینک مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری، از فرستنده تا گیرنده مطابق با شکل زیر به طور کامل بررسی شده است.
لینک مخابرات فیبر نوری
شکل (۳): بلوک دیاگرام یک لینک مخابراتی مبتنی بر فیبر نوری

مقدمه

در مقاله «مخابرات فیبر نوری — راهنمای جامع» دیدیم که امروزه استفاده از پتانسیل‌های فیبر نوری جهت انتقال اطلاعات با سرعت و حجم بالا جزء جداناپذیری از صنعت مخابرات است. تضعیف کم، پهنای‌باند بالا، قیمت مناسب، هزینه نگه‌داری پایین و … از مهم‌ترین ویژگی‌هایی هستند که مخابرات مبتنی بر فیبر نوری را نسبت به همتای الکتریکی خود، یعنی سیم‌های مسی در مقام بالا‌تری قرار می‌دهد.

شکل زیر مقایسه‌ای میان سیستم‌های مخابراتی را نشان می‌دهد. همان‌طور که مشخص است، مخابرات فیبر نوری مسافت و ظرفیت بیشتری را نسبت به دیگر سیستم‌ها پوشش می‌دهد.

لینک مخابراتی
شکل (۴): مقایسه‌ای بین لینک‌های مخابراتی با تکنولوژی‌های مختلف بر اساس ظرفیت و مسافت تحت پوشش

FTTX چیست؟

با پیشرفت و گسترش اینترنت و در نتیجه تولید داده‌های حجیم، نیاز به انتقال این داده‌ها با سرعت بالا در دهه اخیر بیشتر از هر زمان دیگری احساس می‌شود. به عبارت دیگر، خطوط ارتباطی قدیمی مبتنی بر زوج سیم‌های مسی و بی‌سیم (Wireless)، توانایی فراهم کردن پهنای باند شبکه‌های مخابراتی جدید را ندارند.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، در حال حاضر بهره‌گیری از فیبر‌های نوری گزینه‌ای مناسب جهت رفع این مشکل است. در واقع با جایگزین کردن خطوط انتقال مسی با فیبر‌های نوری در شبکه‌های مخابراتی و کامپیوتری، می‌توانیم شبکه‌ای پهن‌باند با سرعت انتقال بالا داشته باشیم. چنین شبکه‌های مخابراتی که در آن‌ها از فیبرهای نوری استفاده شده است، غالباً به شبکه‌های FTTX معروف هستند. FTTX که کوتاه شده عبارت Fiber To The X است، برای هر ساختار شبکه پهن‌باندی استفاده می‌شود که از فیبر‌ نوری در تمام یا قسمتی از آن استفاده شده باشد.

امروزه به دلیل ظرفیت زیاد فیبر‌های نوری و امکان ارائه سرویس‌های مختلف علاوه بر تلفن و اینترنت، به خصوص IPTV، کابل‌های مسی به مرور در حال جایگزین شدن با فیبرهای نوری هستند. خوشبختانه در کشور عزیزمان ایران نیز، شرکت مخابرات ایران همگام به جامعه جهانی در حال بروز رسانی خطوط انتقال داده و استفاده از فیبر‌های نوری است.

مخابرات نوری
شکل (۵): فرکانس، طول موج و انرژی فوتون وابسته ناحیه طول موجی مخابرات فیبر نوری در طیف الکترومغناطیس

ساختارهای مختلف شبکه FTTX

می‌توان گفت جهت راه‌اندازی یک لینک مخابراتی یا به طور دقیق‌تر یک سیستم یا شبکه دسترسی (Access Network) میان کاربر نهایی و مرکز مخابرات از طریق فیبر نوری، ۳ ساختار (معماری) مختلف وجود دارد.

در ساختار اول که اصطلاحاً به Point to Point معروف است، بین مرکز مخابرات و هر کاربر یک رشته فیبر نوری قرار می‌گیرد. این روش به دلیل افزایش تعداد فیبر‌های نوری در کاربرد‌های معمولی و عادی توجیه اقتصادی ندارد. البته در کاربرد‌هایی خاص برای مراکز مهم کشوری، به این روش لینک مخابراتی را فراهم می‌کنند. عبارت Point to Point را غالباً به صورت خلاصه $$P2P$$ می‌نویسند.

در ساختار دوم که به Point to Multi Point معروف است، اطلاعات از طریق یک یا چند رشته فیبر نوری تا مکان خاصی (معمولاً نزدیکی محل کاربران نهایی) به یک دستگاه سوییچ (Switch) فرستاده شده و سوییچ اطلاعات مخصوص هر کاربر را جداگانه برای کاربر (از طریق فیبر یا زوج سیم مسی) ارسال می‌کند. در جهت عکس، یعنی ارسال اطلاعات از کاربر به مرکز مخابرات نیز، سوییچ مذکور اطلاعات هر کاربر را به مرکز مخابرات ارسال می‌کند. در این روش ارتباط مرکز با سوییچ مستقیم ($$P2P$$) بوده و ارتباط سوییچ با کاربران $$P2PM$$ است. در ساختارهای $$P2MP$$، مشکل تعداد زیاد فیبرهای نوری در ساختار $$P2P$$ رفع می‌شود. اما مشکل دیگری که می‌توان به آن اشاره کرد وجود عنصر فعالی (Active) مثل سوییچ در ساختار شبکه است. عناصر فعال نیاز به تنظیمات داشته و هزینه نگه‌داری بالایی دارند.

در ساختار سوم که به جای عنصر فعال سوییچ، از شکافنده‌های نوری (Beam Splitter) که عناصری پسیو (Passive) هستند، استفاده می‌کنند. شکافنده‌های پرتو (عبارت بهتر: تقسیم‌کننده‌های پرتو) دارای یک یا دو ورودی و $$n$$ خروجی است. به عبارت دیگر در میان ارتباط فیبر نوری مرکز مخابرات با کاربران نهایی عنصر غیر فعال (پسیو – بدون نیاز به تنظیمات اولیه) شکافنده‌ پرتو قرار دارد.

fiber optic beam splitter
شکل (۶): نمایی از یک شکافنده پرتو ۱ به ۳۲

ساختار یا معماری سوم، اصطلاحاً به شبکه‌های غیر فعال نوری (Passive Optical Network : PON) موسوم هستند. شبکه‌های PON خود شبکه‌ای $$P2MP$$ به حساب می‌آیند. اساس شبکه‌های فیبر نوری FTTX از نوع PON بوده که می‌توان سناریو‌های مختلفی جهت طراحی آن، مطابق با شکل زیر، پیشنهاد داد.

FTTH چیست
شکل (7): ساختارهای (سناریو) مختلف شبکه نوری FTTX

با عبارت‌های ONT و ONU که در شکل نشان داده است در ادامه مقاله آشنا خواهیم شد. لازم به ذکر است که در شبکه‌های فعال نوری (Active Optical Network : AON) به دلیل وجود عناصر فعال سوییچ و روتر که قادر به فهم سیگنال‌ و کدگذاری‌های بسته‌های داده (Data) هستند، اطلاعات مخصوص هرکاربر به صورت اختصاصی ارسال و دریافت می‌شود. در حالی که در شبکه‌های PON اطلاعات به صورت کلی ارسال شده و ONT داده‌های پرت را دراپ (drop) کرده و تنها داده مخصوص کاربر را نگه می‌دارد. به هر حال شبکه‌های PON به دلیل سادگی ساختار، تخصص کمتر جهت راه‌اندازی و هزینه نگه‌داری پایین محبوبیت بیشتری نسبت به شبکه‌های AON دارند.

مقایسه بین PON و AON
شکل (8): داده‌های ارسال شده از سمت OLT در شبکه PON به تمامی کاربران ارسال می‌شود که ONT داده‌های اضافه را دراپ می‌کند. این در حالی است که در شبکه‌های AON هر کاربر داده مخصوص به خود را دریافت می‌کند.

همچنین می‌توان در شبکه‌های AON از مدار‌های بازسازی سیگنال و تقویت کننده‌های EDFA استفاده کرد که در نتیجه شبکه می‌توان مسافت خیلی بیشتری داشته باشد. شکافنده‌های پرتو، توان نوری را بین خروجی‌های خود به طور مساوی تقسیم می‌کند، به همین دلیل ممکن است که مسافت خیلی کمتری را نسبت به شبکه‌های AON شاهد باشیم (شکل ۸).

EDFA
شکل (9): نمایی از یک تقویت کننده فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم (Erbium Doped Fiber Amplifier : EDFA) که قابلیت تنظیم از طریق کابل کنسول را نیز دارد.
Regeneration
شکل (10): شماتیکی از یک مدار بازسازی سیگنال اپتیکی ($$3R$$)

FTTH چیست؟

همان‌طور که در شکل (7) مشخص است، در دو سناریو FTTH و FTTB بین مرکز مخابرت و کاربر نهایی به طور تمام از فیبر نوری استفاده شده است. حروف H و B در دو عبارت مذکور به Home و Building\Business اشاره دارند. در واقع منظور از FTTH (کوتاه شده عبارت Fiber To The Home) این است که از مرکز مخابرات تا منزل کاربر، فیبر نوری استفاده شده است. FTTB (کوتاه شده عبارت Fiber To The Building\Business) نیز ساختاری شبیه به FTTH دارد. با این تفاوت که فیبر نوری به جای یک منزل مسکونی یا تک واحد (اداری – مسکونی) به یک ساختمان چندین طبقه وارد می‌شود و آنگاه توسط مودم‌هایی، سرویس‌های مختلف بین کاربران به اشتراک گذاشته می‌شود. بدیهی است سرعت و پهنای‌باندی که سناریو FTTH برای هر کاربر فراهم می‌کند، بیشتر از سناریوی FTTB است.

FTTH
شکل (11): مقایسه‌ بین شبکه FTTH با دیگر ساختارهای FTTX از لحاظ مصرف سیم‌های مسی و فیبر نوری

دو عبارت Fiber To The Cabinet و Fiber To The Node نیز برای سناریو‌هایی به کار می‌روند که فیبر نوری تا مکان مشخصی (تا دستگاه ONU) کشیده شده و از آن مکان تا مکان کاربر از زوج سیم‌های مسی استفاده می‌شود (شکل ۱۱).

تکنولوژی شبکه‌های غیر فعال نوری (Passive Optical Network : PON)

همان‌طور که اشاره کردیم، در اکثر ساختارهای FTTX از تکنولوژی‌ PON استفاده می‌کنند. ساختار کلی یک شبکه PON در شکل (12) نشان داده شده است. ملاحظه می‌کنید که در شبکه‌های PON از سه طول موج $$1310nm$$، $$1490nm$$ و $$1550nm$$ استفاده می‌شود.

PON
شکل (12): شماتیکی از یک شبکه پسیو فیبر نوری یا به اختصار PON

مطابق با شکل فوق، طول موج $$1550nm$$ برای ارسال ویدئو و طول موج $$1490nm$$ برای ارسال صوت و داده به سمت کاربر (فروگسیل – Downstream) استفاده می‌شوند. این دو طول موج در دستگاهی موسوم به تسهیم کننده طول موج (Wavelength Division Multiplexer : DWM) با یکدیگر تسهیم شده و به سمت کاربر ارسال می‌شوند. از طول موج $$1310nm$$ نیز برای ارسال صوت و داده از سمت کاربر به مرکز (فراگسیل – Upstream) استفاده می‌شود.

در حال حاضر جدید‌ترین نسل از شبکه PON که از آن در شبکه‌های نوری مختلف استفاده می‌کنند، Gigabit PON است. شبکه‌های GPON می‌توانند به حداکثر سرعت انتقال داده حدود $$2488Mbps$$ در سمت فروگسیل (Downstream) و به سرعت $$2488Mbps$$ در حالت فراگسیل (Upstream) دست یابند. شکل زیر ساختار یک شبکه GPON و محدوده سرعت انتقال داده را نشان می‌دهد.

GPON
شکل (13): شماتیکی از ساختار نسل جدید شبکه PON موسوم به Gigabit PON. اساس تمامی شبکه‌های نسل جدید FTTH بر اساس GPON است.

همان‌طور که در شکل فوق مشخص است، شبکه‌های GPON می‌توانند برای مسافت‌های به نسبت طولانی ۱۰ الی ۲۰ کیلومتر استفاده شوند. امروزه تکنولوژی GPON جایگزین نسل‌های قدیمی‌تر Broadband PON و (Ethernet Passive Optical Network : EPON) شده است. شبکه‌های نسل جدید و تمامی تجهیزات تولیدی بر اساس استاندارد‌های GPON هستند. در مقام مقایسه، به جدول زیر دقت کنید. در حال حاضر جهت بهبود شبکه‌های GPON، همچنان در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی مشغول فعالیت هستند.

BPON EPON GPON
استاندارد ITu-T-G.893 IEEE 802.3ah ITU-T-G.984
طول موج فراگسیل 1310nm 1310nm 1310nm
طول موج فروگسیل 1490nm & 1550nm 1550nm 1490nm & 1550nm
پروتکل ATM Ethernet ATM, Ethernet, TDM, GEM
پهنای‌باند Down <= 1.24 Gbps

Up <= 622 Mbps

Down <= 1.25 Gbps

Up <= 1.25 Gbps

Down <= 2.4 Gbps

Up <= 2.4 Gbps

حداکثر فاصله

20 کیلومتر

10 تا 20 کیلومتر

10 تا 20 کیلومتر

در صورتی که نرخ انتقال داده در دو جهت فروگسیل و فراگسیل یکسان باشد، شبکه نوری را متقارن و در غیر این صورت نامتقارن می‌گویند. از آنجایی که معمولاً به نرخ انتقال داده بیشتری در جهت فروگسیل نیاز است، اکثر شبکه‌های نوری نامتقارن هستند. لازم به ذکر است که شکافنده‌های پرتو، توان نوری را به طور مساوی بین پورت‌های خروجی تقسیم می‌کنند که این امر در تعیین بودجه توان و طراحی شبکه‌های PON از اهمیت زیادی برخوردار است.

تسهیم کننده طول موج (WDM)

در مخابرات جهت بهره‌وری بیشتر از ظرفیت کانا‌ل یا محیط انتقال، نظیر هوا، کابل یا فیبرهای نوری از تکنیکی به اسم تسهیم‌سازی با تقسیم فرکانس (Frequency Division Multiplexing : FDM) یا طول موج (Wavelength Division Multiplexing : WDM) استفاده می‌کنند.

در واقع تمام پهنای‌باند کانال مخابراتی را به زیرباند‌هایی فرکانسی یا طول موجی تقسیم می‌کنند. این زیرباند‌ها هیچگونه تداخلی با یکدیگر نداشته و هر کدام سیگنال جداگانه‌ای را به مقصد منتقل می‌کنند. با این عمل، محیط انتقال با تمام ظرفیتش می‌تواند بین چندین منبع به اشتراک گذاشته شود. به شکل زیر که در آن یک کانال انتقال فیبر نوری بین چندین منبع و گیرنده نوری به اشتراک گذاشته شده است، دقت کنید.

WDM
شکل (۱۴): شماتیکی از دستگاه‌ WDM که از آن برای تسهیم کردن طول موج‌های $$1490nm$$ و $$1550nm$$ در شبکه‌های PON استفاده می‌شود.

جدا از کاربرد فوق، با استفاده از روش‌های FWM یا DWM می‌توان یک اطلاعات سری (بیت‌های سری) را به صورت موازی (چنیدن بیت هم زمان) ارسال کرد که در نتیحه نرخ انتقال داده افزایش پیدا می‌کند. انتقال کانال‌های تلویزیونی به صورت هم‌زمان از طریق یک کابل یا هوا، انتقال چندین تماس تلفنی از طریق یک کابل و … مثال‌هایی از تکنیک FWM هستند.

ماژول SFP

SFP
شکل (15): Small form factor pluggable transceiver

SFP که نمونه‌ای از آن را در شکل فوق مشاهده می‌کنید، کوتاه شده عبارت Small form-factor pluggable transceiver است. در واقع بخش فرستنده (دیود لیزر) و گیرنده نوری شبکه‌های نوری درون SFP است. جدا از دستگاه‌های OLT که ماژول‌های مختلفی از SFP را پشتیبانی می‌کنند، برخی از سوییچ (Switch) و مسیریاب‌ها (Router) نیز چندین پورت برای نصب ماژول SFP دارند. البته سوییچ‌ و روتر‌هایی نیز وجود دارند که تماماً از فیبرهای نوری پشتیبانی کنند.

Small form-factor pluggable transceiver
شکل (16): نمایی از یک SFP که به صورت On-Board روی مدار الکترونیکی قرار گرفته است.

اجزای فعال شبکه‌های نوری FTTX / FTTH

در بخش‌ قبل بیان کردیم که ساختار شبکه‌های نوری FTTH یا در حالت کلی‌تر FTTX از نوع PON است. در واقع در طول مسیر هیچ دستگاه اکتیوی وجود ندارد که نیاز به تنظیمات اولیه (چه ابتدایی چه پیشرفته) داشته باشد. با این حال در ابتدا و انتهای یک لینک مخابراتی باید دستگاهی وجود داشته باشد که قادر به فهم سیگنال‌های داده، ماهیت اطلاعات و کدگذاری اطلاعات و .. باشد. چنین دستگاهی جزء عناصر فعال بوده که نیاز به تنظیمات دارد. در شبکه‌های FTTX، همانند سایر شبکه یا لینک‌های مخابراتی، در سمت کاربر و مرکز مخابرات دستگاه‌های فعالی موسوم به OLT، ONU و ONT وجود دارند. در ادامه به معرفی این ۳ دستگاه می‌پردازیم.

پایانه خط نوری (Optical Line Termination : OLT)

OLT دستگاهی است که اغلب در دفتر مرکزی (Central Office) یا مرکز مخابرات قرار می‌گیرد. البته در بعضی از سناریو‌ها OLT درون اتاق سرور یک ساختمان یا نهاد بزرگ قرار می‌گیرد. وظیفه این دستگاه کنترل ترافیک دوسویه (مرکز به کاربر و کاربر به مرکز) در شبکه توزیع شده نوری (Optical Distribution Network : ODN) است. نمونه‌ای یک دستگاه OLT در شکل زیر نشان داده شده است.

OLT
شکل (17): نمایی از یک دستگاه OLT ساخت شرکت آلکاتل که در مرکز مخابرات یا اتاق سرور ساختمان‌های خیلی بزرگ قرار می‌گیرد.

معمولاً یک دستگاه OLT توانایی کنترل چندین شبکه PON را مطابق با شکل زیر دارد.

OLT PON
شکل (18): یک OLT توانایی سرویس‌دهی به چندین شبکه PON مجزا را دارد.

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، جهت انتقال ویدئو در شبکه‌های FTTH از طول موج $$1550nm$$ استفاده می‌کنند. این طول موج که حاوی اطلاعات ویدئویی (آنالوگ و دیجیتال) است، از تجهیزاتی جز OLT خارج شده و در دستگاه WDM با طول موج خارج شده $$1490nm$$ (داده و صوت) از دستگاه OLT، تسهیم شده و به سمت کاربر ارسال می‌شود. البته همان‌طور که در شکل (۱۳) نیز مشخص است، به آخرین دستگاهی که طول موج $$1550nm$$ را ارسال می‌کند، Video OLT نیز می‌گویند. در شکل زیر تجهیزات مرتبط با ارسال ویدئو در شبکه‌های FTTH/FTTX نشان داده شده است.

video in FTTH
شکل (19): شماتیکی تجهیزات مرتبط با ویدئو که با طول موج $$1550nm$$ ارسال و با طول موج $$1490nm$$ (شامل داده و صوت) از دستگاه OLT در دستگاه WDM تسهیم شده و به سمت کاربر از طریق شبکه PON ارسال می‌شود.

پایانه شبکه نوری (Optical Network Terminal : ONT)

به بیان ساده، ONT را می‌توان یک گیرنده نوری در سمت کاربر در نظر گرفت که سیگنال‌های نوری را در جهت فروگسیل دریافت کرده و آن‌ها را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند. سیگنال‌های الکتریکی نیز از طریق کابل‌های مرسوم شبکه (CAT6) به دستگاه‌های دارای پورت استاندارد RJ45 وارد می‌شوند. همچنین در جهت فراگسیل نیز سیگنال‌های الکتریکی را به سیگنال‌های اپتیکی تبدیل کرده و به سمت OLT ارسال می‌کند. برخی از دستگاه‌های ONT دارای آنتن فرستنده و گیرنده امواج wifi نیز هستند. نمونه‌ای از دستگاه ONT که بسیار شبیه به مودم‌های معمولی شبکه بوده، در شکل زیر نشان داده شده است.

ONT
شکل (20): نمایی از یک دستگاه ONT که نقشی همانند مودم‌های معمولی اما با کارایی بیشتر دارد.

به عبارت دیگر، ONT را می‌توان مودمی در نظر گفت که یک ورودی فیبر نوری داشته و خروجی آن به شکل wifi یا کابل شبکه است. در سناریو‌های FTTH و FTTB در سمت کاربر از ONT استفاده می‌شود.

fiber optic to ONT
شکل (21): ورودی فیبر نوری در یک دستگاه ONT

واحد شبکه نوری (Optical Network Unit : ONU)

همان‌طور که در شکل (7) یا (11) مشاهده کردید، در دو سناریو FTTN و FTTC تا نزدیکی محل کاربران، اطلاعات توسط فیبر‌های نوری به دستگاهی موسوم به ONU وارد می‌شود. به طور مثال تا نزدیکی یا ابتدای یک شهرک مسکونی، اطلاعات توسط فیبر‌های نوری منتقل شده و از آن نقطه که دستگاه ONU در آن قرار دارد، تا محل اقامت کاربران، از زوج سیم‌های مسی در قالب خطوط (DSL) استفاده می‌شود. در این نوع ارتباط، در سمت کاربر دستگاه‌های ONT وجود نداشته و کاربران باید از مودم‌های DSL استفاده کنند. نمونه‌ای از یک دستگاه ONU در شکل زیر نشان داده شده است.

ONU
شکل (22): دستگاه ONU مستقر شده در کابینتی در نزدیکی یک شهرک. اطلاعات از طریق فیبر‌های نوری به ONU وارد شده و از ONU از طریق کابل‌های مسی (سفید رنگ قطور در شکل) به سمت کاربران ارسال می‌شود.

به عبارت دیگر، در سناریو‌های FTTN و FTTC تنها ارتباط بین OLT و ONU از نوع فیبر نوری بوده و ارتباط بین ONU و کاربران از نوع کابل‌های مسی است. به جهت استفاده از کابل‌های مسی، واضح است که پهنای باند و نرخ انتقال داده کمتری نسبت به شبکه‌های FTTH شاهد هستیم.

تفاوت FTTN و FTTC نیز در مقدار فاصله دستگاه ONU تا کاربران است (شکل 11). هر چه فاصله ONU تا کاربران نهایی کمتر باشد، کیفیت خدمات بهتر است. سرویس‌های جدید VDSL شرکت مخابرات که پهنای‌باند و سرعت بیشتری نسبت به نسل‌های قدیمی‌تر ADSL دارند، از این نوع ارتباط هستند. در شکل زیر نمونه‌ای از یک مودم VDSL آورده شده است.

VDSL
شکل (23): نمایی از یک مودم VDSL، این مودم شبیه به مودم‌های آشنای ADSL است.

در جدول زیر مقایسه‌ای ساده بین تکنولوژی‌های مختلف DSL آورده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید پهنای باند VDSL2 نیز در مقابل شبکه‌های FTTH حرفی برای گفتن ندارد.

نسل استاندارد ITU نام سال تصویب حداکثر سرعت
ADSL G.992.1 G.dmt 1999 Down: 7 Mbps

Up: 800 kbps

ADSL2 G.992.3 G.dmt.bis 2002 Down: 8 Mbps

Up: 1 Mbps

ADSL2+ G.992.5 ADSL2Plus 2003

Down: 24 Mbps

Up: 1 Mbps

SHDSL G.991.2 G.SHDSL 2001

Up & Down: 5.6 Mbps

VDSL G.993.1 Very High Data Rate DSL 2004

Down: 55 Mbps

Up: 15 Mbps

VDSL2 G.993.2 Very High Data Rate DSL2 2005

Up & Down: 100 Mbps

تضعیف و بودجه توان

یکی از مهم‌ترین مباحثی که در طراحی یک شبکه نوری FTTX در نظر گرفته می‌شود، بحث تضعیف و بودجه توان است. مهم‌ترین قدم برای محاسبه بودجه توان، توجه به طول موج سیگنال‌های اپتیکی است. از آنجایی که نرخ‌ انتقال داده برای سه طول موج مخابراتی ($$1310nm\ ,\ 1490nm\ , \ 1550nm$$) یکسان نیست، نتیجه می‌گیریم که تلفات در فیبر نوری تابعی از طول موج است. به شکل زیر دقت کنید.

تضعیف و پاشندگی فیبر نوری
شکل (24): نمودار تضعیف و پاشندگی سیگنال‌های اپتیکی در باند‌های مختلف طول موجی که از طریق فیبر نوری منتقل می‌شوند.

از نمودار شکل فوق مشخص است که تضعیف در باند C کمترین مقدار را دارد. همچنین در نزدیکی طول موج $$1310nm$$ پاشندگی صفر بوده که با طراحی فیبرهای نوری DSF امکان شیفت صفر پاشندگی به نزدیکی طول موج $$1550nm$$ امکان‌پذیر است.

فیبر نوری با پاشندگی شیفت یافته
شکل (25): نمودار پاشندگی متناسب با پروفایل ضریب شکست هسته و پوسته در فیبرهای نوری مختلف جهت بهبود پاشندگی

جدا از بحث فوق، حساسیت گیرنده‌های نوری، کیفیت کوپل شدن سیگنال نوری به فیبر و ادوات پسیو استفاده شده در طول مسیر نیز در تضعیف سیگنال موثر بوده و در نتیجه باعث افت توان می‌شوند. در صورتی که فرض کنیم، تنها یک قطعه بین فرستنده و گیرنده نوری وجود داشته باشد، تضعیف قطعه مذکور در یک لینک FTTX به صورت زیر محاسبه و با واحد دسی‌بل بیان می‌شود.

$$\large loss=10\log\frac{P_{out}}{P_{in}}\ (dB)$$

در رابطه فوق، $$P_{in}$$ توان ورودی و $$P_{out=}$$ توان خروجی از قطعه است. حال یک لینک نوری FTTH فرضی مطابق با شکل زیر بین ONT و OLT در نظر بگیرید.

شبکه FTTH
شکل (26): یک لینک فرضی FTTH بین OLT و ONT به همراه ادواتی که در طول مسیر قرار دارند. در این لینک تقویت کننده یا مدار بازسازی قرار نگرفته است.

اگر فرض کنیم که توان چشمه نوری (لیزر) مورد استفاده در دستگاه OLT باشد که به دستگاه WDM وارد می‌شود و  توانی باشد که به گیرنده ONT می‌رسد، تلفات کل توان نوری به صورت زیر محاسبه می‌شود:

$$\large P_{T}=P_{S}-P_{R}=4\alpha_{c}+\alpha L+N\alpha_{s}+\alpha_{bs}+\alpha_{co}+\alpha_{sm}$$

پارامترهای رابطه فوق، به قرار زیر هستند:

  • $$L$$: طول لینک نوری (طول فیبر نوری)
  • $$\alpha$$: مقدار تلفات فیبر نوری بر حسب دسی‌بل در واحد کیلومتر
  • $$\alpha_{c}$$: تلفات کانکتورها
  • $$\alpha_{s}$$: تلفات پیوند هسته تو فیبر نوری (فیوژن – Fusion)
  • $$\alpha_{bs}$$: تلفات شکافنده پرتو (Beam Splitter)
  • $$\alpha_{co}$$: تلفات تسهیم کننده طول موج (WDM)
  • $$\alpha_{sm}$$: ضریب اطمینان (System Margin)

منظور از ضریب اطمینان سیستم (System Margin) که ضریب اطمینان تلفات نیز نامیده می‌شود، مقدار توان نوری اضافی است که همیشه در طراحی شبکه‌های نوری در نظر گرفته می‌شود. طراحان شبکه معمولاً مقدار ضریب اطمینان را حدود ۳ تا 10 دسی‌بل در نظر می‌گیرند. شبکه‌های نوری FTTX را از حیث تضعیف توان به ۳ دسته زیر تقسیم می‌کنند.

  • کلاس A: تضعیف بین 5 تا 20 دسی‌بل
  • کلاس B: تضعیف بین 10 تا 25 دسی‌بل
  • کلاس C: تضعیف بین 15 تا 30 دسی‌بل

معمولاً شبکه‌هایی که بازدهی مناسبی دارند، از حیث تضعیف در کلاس B قرار می‌گیرند. جهت مثال در دو شکل زیر مقدار افت توان ادوات مورد استفاده در یک لینک نوری بین OLT و ONT در دو طول موج $$1310nm$$ و $$1490nm$$ نشان داده شده است. در حالت فروگسیل، یعنی ارسال داده و صوت با طول موج $$1490nm$$ به سمت کاربر (ONT) داریم:

تلفات توان
شکل (27): محاسبه تلفات در یک لینک فرضی FTTH در طول موج $$1490nm$$

در حالت فراگسیل، یعنی ارسال داده و صوت با طول موج $$1310nm$$ به سمت دفتر مرکزی (OLT) داریم:

بودجه توان
شکل (28): محاسبه تلفات در یک لینک فرضی FTTH در طول موج $$1310nm$$

دقت شود که تلفات محاسبه شده مسیر در دو شکل فوق، بدون در نظر گرفتن ضریب اطمینان است. با این حال افت توان بیشتر از مقدار $$25dB$$ (حداکثر مقدار افت مجاز کلاس B) است. به عبارت دیگر طراح باید طول لینک را کوتاه‌تر کند یا ادوات مورد استفاده (به خصوص شکافنده پرتو) را تغییر دهد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است،‌ آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 3 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *