فناوری WDM در شبکه فیبر نوری

فناوری WDM در شبکه فیبر نوری Wavelength-Division Multiplexing به اختصار WDM ، که امروزه به عنوان یکی از پر کاربرد ترین فناوری ها موجود در سیستم های ارتباطی نوری با ظرفیت بالا شناخته می گردد. WDM به معنای مالتی پلکسینگ طول موج نوری می باشد.

فناوری WDM در شبکه فیبر نوری

فهرست مطالب

1. فناوری WDM در شبکه فیبر نوری
   1. MUX و DEMUX
   2. Dense WDM یا DWDM
   3. Coarse WDM یا CWDM
2. کاربری

شکل زیر به صورت شماتیک یک سیستم انتقال WDM معمولی را نشان می دهد.

MUX و DEMUX

در سمت فرستنده ، چندین ترانسمیتر نوری قرار میگیرند که  هر کدام در طول موج های متفاوت ، به صورت جداگانه سیگنال نوری را ارسال می نمایند ، این سیگنال ها توسط یک مالتی پلکسر طول موج (MUX) ترکیب می گردند. سیگنال های مالتی پلکس شده به وسیله یک خط انتقال (کابل فیبر نوری) منتقل می شوند. در سمت گیرنده نیز عکس این فرایند  اتفاق می افتد ، سیگنال ها توسط یک دی مالتی پلکسر طول موج  (DEMUX) جداسازی شده و در نهایت توسط گیرنده ها و حسگرها دریافت می گردند.

 

شکل 1: شماتیک سیستم انتقال WDM

فناوری WDM در شبکه های مخابراتی

مزیت اصلی استفاده از فناوری WDM کاهش تعداد تار فیبر نوری مورد نیاز در خطوط اصلی فناوری انتقال نوری می باشد. لینک های نوری مخابراتی با فواصل طولانی تر از 1000 کیلومتر یکی از نمونه هایی می باشند که به خوبی نیاز به این فناوری را نشان می دهند، چنانچه ما در این لینک ها نیاز به نصب یک کابل فیبر نوری با ظرفیت تار نوری بالا  داشته باشیم ، هزینه تولید ، نصب و راه اندازی کابل فیبر پیامدی جدی و غیر قابل توجیح  از نظر اقتصادی می باشد.

با استفاده از فناوری WDM تعداد تار های فیبر نوری مورد نیاز در کابل نوری کاهش می یابد ، و این در حالی است که تعداد مالتی پلکسر / دی-مالتی پلکسر ( multiplexer/de-multiplexer )  طول موج اساساً بدون توجه به طولانی بودن فاصله انتقال ، ثابت می مانند. بنابر این، با طولانی شدن فاصله انتقال ، فناوری WDM بسیار  کارآمد و سودمند می گردد.

Dense WDM (DWDM) یا فناوری متراکم WDM

به جهت انتقال سیگنال های نوری در مسافت های طولانی تر (‌بیشتر از 100 کیلومتر) ، بایستی شبکه را با تقویت کننده های فیبر نوری جهت جبران افت توان نوری تجهیز نمود. از آنجا که بهره پهنای باند تقویت کننده های فیبر نوری نسبتاً محدود می باشد ، جهت قرار دادن تعداد زیادی کانال در بهره پهنای باند ، یک فاصله طول موج متراکم مورد نیاز است. فناوری WDM متراکم (DWDM) برای سیستم های انتقال مسافت طولانی طراحی شده و با استفاده کامل از بهره پهنای باند تقویت کننده های فیبر اربیوم (EDFA) ، توسعه یافته است. تقویت کننده EDFA دارای بهره نوری مناسبی در باند های  C و L  می باشد.

در مجموع میتوان 115 کانال طول موج در یک فیبر با فاصله فرکانس 100 گیگاهرتز (0.8 نانومتر) منتقل نمود.  چندین فاصله فرکانسی مختلف برای سیستم های DWDM در ITU-T G.694.1 تعریف شده است و بسته به نیاز سیستم (ظرفیت کل ، سرعت بیت در هر کانال ، مسافت و غیره) فاصله مناسب انتخاب می گردد.

CWDM (Coarse WDM) – عریض WDM

نیاز به فاصله کانال متراکم در فناوری DWDM عمدتاً از بهره پهنای باند نسبتاً محدود تقویت کننده های EDFA ناشی می شود(در مقایسه با کل باند های مخابراتی نوری). از طرف دیگر ، اگر فاصله انتقال کمتر از 100 کیلومتر باشد و نیازی به تقویت کننده نباشد ، فاصله کانال گسترده تر می تواند یک گزینه مناسب تلقی گردد.

فاصله کانال گسترده تر امکان استفاده از تجهیزات مقرون به صرفه تر را نیز فراهم می نماید مانند:

• ترانیسمتر (فرستنده) ، دیود های لیزری معمول(LD) با تغییر گسترده طول موج ،
• MUX و DEMUX با فاصله کانال عریض

در نتیجه هزینه کل نصب و راه اندازی شبکه هزینه کمتری را در بر خواهد گرفت.

این سیستم ها به عنوان WDM عریض یا CWDM شناخته می شوند و استاندارد ITU-T G.694.2 تخصیص یک طول موج را برای سیستم های CWDM تعریف می نماید ، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است. 18 طول موج مرکزی با 20 نانومتر فاصله از یکدیگر بین طول موج های 1271 نانومتر تا 1611 نانومتر که تحت پوشش باندهای O- ، E- ، S- ، C- و L. قرار می گیرند، از 18 طول موج موجود لزوماً همیشه استفاده نمی شود و در بیشتر موارد 4 و یا 8 طول موج استفاده می گردند:

• 4 طول موج از 1531 تا 1591 نانومتر ،
• 8طول موج از 1471 تا 1611 نانومتر.

این امر عمدتا به این دلیل است که بسیاری از تجهیزات نوری (به عنوان مثال MUX / DEMUX و فیلتر های CWDM) به شکل انبوه با 4 و یا  8 طول موج تولید می گردند و به ط گسترده در دامنه های طول موج فوق موجود می باشند.

شکل 3: طول موج های مرکزی CWDM.

کاربری فناوری WDM در شبکه 

 شبکه های مخابراتی تقریباً به سه دسته تقسیم می شوند:، شبکه مرکزی core ، شبکه مترو metro و شبکه های دسترسی access. شبکه اصلی شهرهای بزرگ را به یکدیگر متصل می نماید (بیش تر از 100 کیلومتر) و اغلب از فناوری DWDM در این شبکه ها استفاده می شود. شبکه مترو در داخل کلان شهر ها اجرا میگردند و اغلب بین 50 تا 80 کیلومتر استفاده می گردد و فناوری CWDM در آنها مورد استفاده قرار می گیرد. در حال حاضر شبکه دسترسی Access به ندرت از فناوری WDM استفاده می نماید ، چراکه نیاز به ظرفیت انتقال بسیار کمتر از شبکه های کور و مترو می باشد.

فناوری WDM در شبکه های کامپیوتری

از جمله مشکلات فنی موجود در شبکه های داده پر سرعت (به عنوان مثال مراکز داده) مصرف انرژی و سودمندی مساحت یا فضا می باشد. شبکه های مخابراتی پر سرعت توسط فناوری تشخیص دیجیتال منسجم با پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) تقویت گردیده اند. با این وجود مصرف انرژی بسیار گسترده ای دارند (> 10W) و استفاده از این فناوری در یک مرکز داده در مقیاس بزرگ واقع بینانه نمی باشد. از فناوری WDM در datacom اغلب برای فعال نمودن فرستنده و گیرنده های (transceiver ) با سرعت بالا در اندازه کوچک و با مصرف انرژی کم استفاده می شود , به طور پیش فرض “شناسایی ارتباط بدون جبران پراکندگی” از نظر مصرف انرژی الویت پذیر می گردد.

به عنوان مثال ، بسیاری از فرستنده ها  و گیرنده های نوری ( ترانس رسیور) اترنت  100G  که به شکل گسترده در مراکز داده مورد استفاده قرار می گیرند – از فناوریWDM  با چهار طول موج در باند O استفاده می نمایند. پراکندگی رنگی فیبر تک حالته معمولی یا سینگل مد ، فیبر ITU-T G.652 در باند O صفر می شود و پراکندگی فیبر به حداقل می رسد. علاوه بر این، برنامه WDM با چهار طول موج نرخ بیت در هر کانال را کاهش می دهد (100/4=25Gbps) که باعث می شود تحمل پراکندگی چهار برابر بیشتر از یک سیستم 100Gbps تک کاناله باشد.

جهت راه اندازی WDM با چهار طول موج در باند O دو گزینه وجود دارد ،  CWDM4 و LAN-WDM ، محدوده های طول موج در شکل 5 و 6 همراه با حداکثر و حداقل پراکندگی رنگی فیبر سینگل مد معمولی نشان داده شده است.

CWDM4  مشابه سیستم های موجود در CWDM مخابراتی می باشد و امکان بکارگیری اپتیک مقرون به صرفه را برای برنامه های مخابراتی فراهم می نماید. طول موج ها در LAN-WDM  فاصله کمتری نسبت بهCWDM4  دارا می باشند و تقریباً در طول موج پراکندگی صفر فیبر قرار می گیرد.

این تخصیص طول موج انتقال 100Gbps را با طول بیش از 10 کیلومتر امکان پذیر می نماید (به عنوان مثال 100GBASE-LR4 and ER4 ) که بدون محدودیت ناشی از  پراکندگی کروماتیک فیبر امکان پذیر می گردد.

پهنای باند در شبکه فیبر نوری

تجهیزات فیبر نوری