معماری سیستم های فیبر نوری

معماری سیستم های فیبر نوری، از دیدگاه معماری، سیستم‌های ارتباطی فیبر نوری را می‌توان به سه دسته کلی لینک های نقطه به نقطه (point-to-point یا P2P)، شبکه‌های توزیع و شبکه‌های LAN طبقه‌بندی نمود. در ادامه ویژگی های اصلی این سه معماری سیستم را بررسی می نماییم.

فهرست مطالب

1. معماری سیستم های فیبر نوری
   1. P2P
      1. تقویت‌ کننده‌ها
      2. احیاکننده ها
   2. شبکه های توزیع
   3. شبکه های LAN

معماری سیستم های فیبر نوری

لینک های نقطه به نقطه

لینک های نقطه به نقطه به لاتین Point-to-Point و به شکل مخفف P2P ساده ترین نوع سیستم های موج نور را تشکیل می دهند. نقش آنها انتقال اطلاعات، در قالب یک جریان بیت دیجیتال، از یک مکان به مکان دیگر با حداکثر دقت ممکن است. طول لینک بسته به کاربرد خاص می تواند از کمتر از یک کیلومتر (مسافت کوتاه) تا هزاران کیلومتر (مسافت طولانی) متغیر باشد. به عنوان مثال، لینک های داده نوری جهت اتصال رایانه ها و پایانه ها در یک ساختمان یا بین دو ساختمان با فاصله انتقال نسبتاً کوتاه (کمتر از 10 کیلومتر) استفاده می شود.

افت ناچیز و پهنای باند وسیع فیبر نوری در چنین لینک های داده ای از اهمیت اولیه برخوردار نیستند. در مقابل، انتقال داده با سرعت بالا در سیستم‌های نوری بین قاره‌ ای و زیردریایی با طول های لینک چند هزار کیلومتری مورد اهمیت می باشد.

در واقع افت پایین و پهنای باند گسترده فیبرهای نوری عوامل مهمی در طراحی سیستم های بین اقیانوسی از نقطه نظر کاهش هزینه عملیاتی کلی هستند.

هنگامی که طول لینک از میزان معینی در محدوده 20 تا 100 کیلومتر، بسته به طول موج عملیاتی، تجاوز می نماید، جبران افت فیبر ضروری می شود، چراکه در غیر این صورت سیگنال آنقدر ضعیف می شود که به طور قابل توجهی تشخیص داده نمی شود. شکل 1.1 دو روش را نشان می دهد که معمولاً جهت جبران خسارت توان نوری استفاده می گردد. تا سال 1990، تکرارکننده های نوری Regenerator ها، که به آنها احیاگر نیز می گفتند، چراکه سیگنال نوری را بازسازی می کنند، به طور انحصاری مورد استفاده قرار می گرفتند.

احیاکننده ها Regenerator

همانطور که در شکل 1.1 (a) مشاهده می شود، یک احیاگر چیزی نیست جز یک جفت گیرنده-فرستنده که سیگنال نوری ورودی را تشخیص می دهد، جریان بیت الکتریکی را بازیابی می نماید و سپس آن را با تعدیل یک منبع نوری به شکل نوری تبدیل می نماید. پس از Regenerator ها با ارائه تقویت کننده های جریان نوری، افت فیبر با استفاده از تقویت کننده های نوری (Amplifier) جبران می گشت، جریان بیت نوری مستقیماً بدون نیاز به تبدیل سیگنال به حوزه الکتریکی تقویت می شد. ظهور تقویت کننده های نوری در حدود سال 1990 انقلابی در توسعه سیستم های ارتباطی فیبر نوری ایجاد نمود. چنین تقویت کننده هایی به ویژه برای سیستم های WDM ارزشمند هستند، چراکه می توانند تعداد زیادی کانال را به طور همزمان تقویت نمایند.

تقویت‌ کننده‌های نوری

تقویت‌کننده‌های نوری به لاتین Amplifier ها مشکل افت نوری را حل می نمایند، اگرچه باعث افزایش نویز سیستم می گردند و تأثیر پراکندگی فیبر و غیرخطی بودن را نامطلوب می سازند، چراکه تخریب سیگنال در چندین مرحله تقویت می‌شود. در واقع، سیستم‌های موج نوری تقویت‌شده تناوبی اغلب بواسطه پراکندگی فیبر محدود می‌شوند، مگر اینکه از تکنیک‌های جبران پراکندگی استفاده شود.

تکرارکننده های اپتوالکترونیک از این مشکل مستثنا می باشند چراکه جریان بیت اصلی را بازسازی می کنند و بنابراین به طور موثر تمام منابع تخریب سیگنال را به طور خودکار جبران می نمایند. با این حال، استفاده مکرر از آنها در سیستم های WDM (هر 80 کیلومتر یا بیشتر) مقرون به صرفه نیست. اگرچه تلاش‌های تحقیقاتی قابل‌توجهی به سمت توسعه بازسازی‌کننده‌های تمام نوری انجام می‌شود، اکثر سیستم‌های نوری از ترکیبی از دو تکنیک نشان‌ داده‌شده در شکل 1.1 بهره می برند و یک احیاگر نوری الکترونیکی را بعد از تعداد معینی تقویت‌کننده نوری قرار می‌دهند. سیستم های نوری زیردریایی اغلب برای کار در فواصل بیش از 5000 کیلومتر با استفاده از تقویت کننده های نوری آبشاری طراحی می شوند.

شکل 1.2 (a) توپولوژی هاب و (b) توپولوژی باس در شبکه های توزیع

فاصله L بین احیاگرها یا تقویت کننده های نوری ( شکل  1.1 را مشاهده فرمایید)، که اغلب فاصله تکرار کننده نامیده می شود، یک پارامتر اصلی طراحی در شبکه های نوری است، صرفاً به این دلیل که هزینه سیستم با افزایش L کاهش می یابد. با این حال، همانطور که در پیش تر بحث شد، فاصله L به دلیل پراکندگی فیبر به نرخ بیت B وابسته است. نتیجه نرخ بیت B در فاصله L برابر، BL، که عموماً به عنوان معیاری جهت عملکرد سیستم برای لینک های نقطه به نقطه استفاده می شود. BL به طول موج عملیاتی وابسته است، چراکه هم افت فیبر و هم پراکندگی فیبر وابسته به طول موج هستند.

سه نسل اول سیستم های موج نور با سه طول موج عملیاتی متفاوت نزدیک به 0.85μm و 1.3μm و 1.55μm میکرومتر مطابقت دارند. در حالی که BL در سیستم های نسل اول که نزدیک به 0.85μm فعالیت می نمایند معادل 1(Gb/s)-km می باشد، در سیستم های نسل سوم که نزدیک 1.55 فعال می باشند به 1(Tb/s)-km تبدیل می شود و می تواند برای سیستم های نسل چهارم از 1000(Tb/s)-km نیز فراتر رود.

شبکه های توزیع

بسیاری از کاربردهای سیستم های ارتباطی نوری مستلزم آن است که اطلاعات نه تنها منتقل شود، بلکه بین گروهی از مشترکین نیز توزیع شود. به عنوان مثال می توان به توزیع حلقه محلی سرویس های تلفنی و پخش چندین ویدئو و یا شبکه ها از طریق تلویزیون کابلی (CATV، مخفف تلویزیون آنتن مشترک) اشاره نمود. تلاش قابل توجهی به سمت یکپارچه سازی خدمات صوتی و تصویری از طریق یک شبکه دیجیتال پهن باند انجام شده است. جریان را می توان با استفاده از استانداردهای مختلفی که جهت این منظور توسعه داده شده اند، انتقال داد. فاصله انتقال نسبتاً کوتاه است (L<50 کیلومتر)، اما نرخ بیت می تواند تا 100 گیگابیت بر ثانیه باشد.

شکل 1.2 دو توپولوژی شبکه های توزیع را نشان می دهد. در مورد توپولوژی هاب، توزیع کانال در مکان های مرکزی (یا هاب) صورت می گیرد، جایی که یک مرکز اتصال متقابل خودکار، کانال ها را در حوزه الکتریکی سوئیچ می نماید. چنین شبکه‌هایی را شبکه‌های شهری (MANs) یا شبکه‌های مترو می‌نامند، چراکه هاب‌ها معمولاً در شهرهای بزرگ قرار دارند. نقش فیبر مشابه مورد لینک های نقطه به نقطه است. از آنجایی که پهنای باند فیبر عموماً بسیار بیشتر از پهنای باند مورد نیاز یک مرکز هاب واحد است، چندین مرکز می توانند یک فیبر واحد را که به سمت هاب اصلی هدایت می شود به اشتراک بگذارند.

شبکه های تلفن از توپولوژی هاب hub جهت توزیع کانال های صوتی در داخل شهر بهره می برند. یک نگرانی برای توپولوژی هاب به قابلیت اطمینان آن مربوط می شود – قطع شدن یک کابل فیبر واحد می تواند خدمات بخش بزرگی از شبکه را تحت تاثیر قرار دهد. از لینک های نقطه به نقطه P2P اضافی می توان جهت محافظت در برابر چنین احتمالی با اتصال مستقیم مکان های هاب مهم استفاده نمود.

در مورد توپولوژی باس bus، یک کابل فیبر واحد سیگنال نوری چند کاناله را در سراسر محدوده تحت سرویس حمل می نماید. توزیع با استفاده از خروجی های نوری صورت می پذیرد که بخش کوچکی از توان نوری را به هر مشترک منحرف می سازند. یک کاربرد ساده CATV از توپولوژی باس شامل توزیع چندین کانال ویدئویی در داخل یک شهر است. استفاده از فیبر نوری به دلیل پهنای باند گسترده آن در مقایسه با کابل های کواکسیال، امکان توزیع تعداد زیادی کانال (100 یا بیشتر) را فراهم می نماید. ظهور تلویزیون با کیفیت بالا (HDTV) همچنین به انتقال امواج نور نیاز دارد چراکه پهنای باند زیادی در ارتباط با هر کانال ویدئویی لازم است.

مشکلی که در توپولوژی bus وجود دارد این است که سیگنال به صورت تصاعدی با تعداد خروجی ها افزایش می‌یابد و تعداد مشترکینی که توسط یک گذرگاه نوری تحت سرویس قرار می گیرند محدود می‌شود. حتی زمانی که افت فیبر نادیده گرفته می‌شود، توان موجود در خروجی n ام توسط معادله فوق ارائه می گردد.

که در آن P_T توان ارسالی است، C کسری از توان ترکیب شده در هر خروجی است، و δ مقدار ثابت افت قرارگیری، که در هر نود یکسان فرض می شود. مشتق معادله (1.1.1) به عنوان تمرینی برای مخاطب باقی خواهد ماند. اگر δ را برابر 8 فرض کنیم و C=0.05 و   P_T = 1 mW و P_N = 0.1 μW به عنوان مقادیر گویا استفاده نماییم، N نباید از 60 تجاوز نماید. راه حل جهت این مشکل توسط تقویت کننده های نوری ارائه شده است که می تواند توان نوری را افزایش دهد. تا زمانی که اثرات پراکندگی فیبر ناچیز باقی بماند، به صورت دوره ای و در نتیجه اجازه توزیع به تعداد زیادی از مشترکان را می دهد.

شبکه های LAN

بسیاری از کاربردهای فناوری ارتباطات فیبر نوری نیازمند شبکه‌هایی هستند که در آن تعداد زیادی از کاربران در یک محدوده LAN (مثلاً یک محوطه دانشگاه) به گونه‌ای به هم متصل باشند که هر کاربر بتواند به طور تصادفی به شبکه دسترسی پیدا نماید تا داده‌ها را به نقطه دیگری منتقل نماید. کاربر چنین شبکه هایی را شبکه های Local یا (LAN) می نامند. (ما از نام گذاری محلی برای شبکه LAN استفاده نمی کنیم به علت اینکه این نام گذاری معنای موقیعت مکانی شبکه را در خود نمی گنجاند، به همین دلیل بهتر است که شبکه LAN را به عنوان شبکه قبل از اولین روتر معرفی نماییم). شبکه های دسترسی نوری Optical-access مورد استفاده در حلقه مشترک LAN نیز در این دسته قرار می گیرند. از آنجایی که فواصل انتقال نسبتاً کوتاه است (کمتر از 10 کیلومتر)، افت نوری برای کاربردهای LAN چندان نگران کننده نیست. انگیزه اصلی استفاده از فیبرهای نوری، پهنای باند زیاد ارائه شده توسط سیستم های ارتباطی فیبر نوری است.

تفاوت اصلی بین MAN و LAN مربوط به دسترسی تصادفی ارائه شده به چندین کاربر از یک LAN است. معماری سیستم نقش مهمی را برای شبکه های LAN ایفا می نماید، چراکه ایجاد قوانین پروتکل از پیش تعریف شده در چنین محیطی یک ضرورت است. سه توپولوژی پرکاربرد با نام‌های باس bus، حلقه ring و ستاره star شناخته می‌شوند. توپولوژی باس مشابه آنچه در شکل 1.2 (b) نشان داده شده است. یک مثال معروف از توپولوژی باس شبکه اترنت اولیه ارائه شده می باشد، و پروتکل شبکه که جهت اتصال چندین کامپیوتر استفاده می شود. اترنت با استفاده از یک پروتکل مبتنی بر دسترسی چندگانه (CSMA مخفف Carrier-sense multiple access) با تشخیص برخورد، تا سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه (10 گیگابایت) فعالیت می نماید. استاندارد جدیدی به نام 100 گیگ اترنت (به طور رسمی توسط IEEE 802.3ba) در سال 2010 عملیاتی گردید. ظهور آن سرعت ترافیک اینترنت را به نرخ بیت 100 گیگابیت بر ثانیه افزایش داد. شکل 1.3 توپولوژی های ring و star را برای برنامه های LAN نشان می دهد. در توپولوژی ring، گره های متوالی با لینک های نقطه به نقطه به هم متصل می شوند تا یک حلقه بسته را تشکیل دهند. هر گره می تواند داده ها را با استفاده از یک جفت فرستنده و گیرنده که به عنوان یک تکرار کننده نیز عمل می نماید، ارسال و دریافت نماید. یک توکن (توالی بیت از پیش تعریف شده) در اطراف ring عبور داده می شود. هر گره جریان بیت را جهت گوش دادن به آدرس خود و دریافت داده ها نظارت می نماید. همچنین می تواند با الحاق داده ها به یک توکن خالی انتقال دهد. استفاده از توپولوژی حلقه برای شبکه های LAN فیبر نوری با رابط استاندارد شده به نام رابط داده توزیع شده فیبر، به اختصار FDDI تجاری شده است.

در توپولوژی ستاره به لاتین star همه گره ها از طریق لینک های نقطه به نقطه به یک گره مرکزی به نام هاب یا به سادگی یک ستاره متصل می شوند. بسته به اینکه گره مرکزی یک دستگاه فعال یا غیرفعال باشد، چنین شبکه های LAN ای بیشتر به عنوان شبکه های ستاره فعال یا غیرفعال طبقه بندی می شوند. در پیکربندی ستاره فعال Active، تمام سیگنال های نوری ورودی از طریق گیرنده های نوری به حوزه الکتریکی تبدیل می شوند. سپس سیگنال الکتریکی جهت هدایت فرستنده های گره جداگانه توزیع می شود. عملیات سوئیچینگ همچنین می تواند در گره مرکزی انجام شود چراکه توزیع در حوزه الکتریکی انجام می گردد. در پیکربندی ستاره غیر فعال Passive، توزیع در حوزه نوری از طریق دستگاه هایی مانند کوپلر های هدایت کننده انجام می شود. از آنجایی که ورودی از یک گره به بسیاری از گره های خروجی توزیع می شود، توان ارسالی به هر گره به تعداد کاربران وابسته است. مشابه مورد توپولوژی باس، تعداد کاربرانی که توسط شبکه‌های LAN غیرفعال ستاره ای پشتیبانی می‌شوند، با افت توزیع محدود می گردند.

برای یک کوپلر ستاره ای ایده‌آل NxN، توانی که به هر گره می‌رسد به سادگی برابر P_T/N می باشد (چنانچه افت انتقال را نادیده بگیریم) چراکه توان ارسالی P_T به طور مساوی بین کاربران N تقسیم می‌شود. برای یک توپولوژی ستاره ای Passive که از کوپلر های جهت دار یا هدایت شونده تشکیل شده است، توان به دلیل افت قرارگیری کاهش می یابد و می توان آن را به صورت نوشتاری بیان نمود.

که در آن δ  افت قرارگیری هر کوپلر جهت دار است. چنانچه از δ= 0.05 و P_T = 1mW و P_N = 0.1μW به عنوان مقادیر گویا استفاده کنیم، N می تواند برابر 500 باشد.
این مقدار N باید با N = 60 به دست آمده در مورد توپولوژی باس bus با استفاده از معادله قسمت بالاتر مقایسه شود. (1.1.1). مقدار نسبتاً بزرگ N توپولوژی ستاره ای را جهت اجرای برنامه های LAN جذاب تر می نماید.

کابل های فیبر نوری

کابل های شبکه مسی

تجهیزات فیبر نوری