فیبرهای نوری متفاوت در شبکه
در مقاله قبلی توضیحات اولیه‌ای در زمینه اتصال فیبر نوری در شبکه دادیم. و امروز بیشتر در این زمینه صحبت خواهیم کرد. با توجه به وجود انواع مختلف فیبر نوری، گاهی مسئله استفاده ترکیبی از آنها در شبکه مطرح می‌شود. استفاده ترکیبی از فیبرهای نوری متفاوت در شبکه میتواند بر عملکرد شبکه نوری تأثیر بگذارد. در هر حال ممکن است شرایطی فراهم آید که استفاده ترکیبی از فیبرها اجتناب ناپذیر باشد. با توجه به نوع فیبرهای مورد استفاده در شبکه مخابراتی، هدف این مقاله بررسی آثار استفاده ترکیبی دو نوع فیبر (G652) و فیبر (G655) است.
فیبرهای نوری متفاوت در شبکه
در قسمت اول به تأثیر آن بر افزایش افت شبکه پرداختیم که بایستی در محاسبه بودجه تضعیف مورد توجه قرار گیرد. همچنین با توجه به قطر میدان مد (MFD) فیبرهای مختلف، تخمینی از خطای اندازه‌گیری توسط OTDR ارايه گردید. در ادامه مسائل مختلف مرتبط با موضوعات پراکندگی (دیسپرشن) و طول موج قطع پرداخته و در مورد تأثیرات غیرخطی ترکیب فیبرها مطالبی ارائه خواهد شد.
پراکندگی کروماتیک لینک
علاوه بر MFD پارامتر دیگری که در فیبرهای مختلف متفاوت است. این پارامتر نشان می‌دهد که در است پراکندگی کروماتیک فیبرها، نور با طول موج‌های مختلف دارای سرعت‌های متفاوت است. در جدول 3 ضریب پراکندگی برای انواع فیبر نشان داده شده است.
اگر پراکندگی کل بین فرستنده و گیرنده زیاد باشد، پالس‌های دیجیتال پهن شده و ممکن است با پالس‌هاي کناری تداخل يافته باعث افزایش نرخ خطای بیت شود. بنابراین افزایش پراکندگی به نوعی باعث کاهش مسافت بین تقویت کننده‌ها در انتقال سیگنال دیجیتال خواهد شد. در یــک سیستــم دیجیتــال با طــول مــوج کار 1550 نانومتر، در صورت استفاده از لیزری که نور را به روش (Zero to Return Non (NRZ تولید می‌كنند، بیشترین مسافت را می‌توان با کمک رابطه زیر تخمین زد:
در این معادله Bit ،نرخ بیت برحسب GB/s (ظرفیت انتقال سیستم)، D ضریب پراکندگی کروماتیک بر حسب ps/nm.km و L مسافت لینک بر حسب کیلومتر است. معادله فوق نشان می‌دهد که در صورت استفاده از فیبر (G652) که ضریب پراکندگی آن 17ps/nm.km است، در سیستم انتقال s/Gb 2 میتواند تا مسافت 980 کیلومتر بدون نیاز به تقویت کننده، مورد استفاده قرار گیرد. با توجه به زیاد بودن ای ً ن مسافت، عمال ضریب پراکندگی کروماتیک عامل محدودکننده‌ای تلقی نمی‌شود.
گرچه در سیستم انتقال 10GB/s این مسافت به 60 کیلومتر محدود مي‌شود و در صورتی که نخواهیم برای متراژهای طولانی‌تر از تقویت‌کننده استفاده کنیم، باید به نوعی از روش‌های کنترل پراکندگی مثال استفاده از جبران‌کننده‌های پراکندگی بهره ببریم. البته استفاده از جبران‌کننده‌ها خود باعث پیچیدگی‌های بیشتری می‌شود و به همین دلیـل فیبـرهای نـوری با پراکندگی جابجاشده [DSF(G653)وNZDSF(G655)] که در مقایسه با فیبرهای G652 دارای پراکندگی کمتری در ناحیه 1550 نانومتر است مورد استفاده قرار می‌گیرند.
در جدول 3 مسافت مجاز در سیستم انتقال 10GB/s برای انواع مختلف فیبر ارايه شده است. با توجه به تفاوت محدودیت مسافت برای فیبرهای مختلف، در ترکیب دو فیبر، مسافت مجاز بین دو حد مجاز هر یک از دو کیلومتر بر ثانیه فیبر G652 فیبرخواهد بود. برای مسیری متشکل از با ضریب پراکندگی 17ps/nm.km در طول موج 1550 نانومتر و یک کیلومتر فیبر (G655) می توان ضریب پراكندگي را به صورت زیر محاسبه كرد:
برای مثال در یک لینک 100 کیلومتری اگر از 75 کیلومتر فیبر (G655-NZ) و 25 کیلومتر فیبر (G652-SM) استفاده شود، ضریب پراکندگی برابر ۷/۵ps/nm.km و حداکثر مسافت قابل قبول برای انتقال 10GB/s در حدود 138 کیلومتر محاسبه می‌شود. در بیشتر موارد نصب راه دور، مسافت بیش از 400 کیلومتر است. مسافت‌های مذکور در جدول 3 برای سیستم انتقال 10GB/s بسیار کمتر از مسافت‌های واقعی بوده و برای استفاده از این فیبرها 2 استفاده شود. جبران کننده‌ها بایستی از جبران کننده پراکندگی 3 با ضریب پراکندگی منفی هستند که معمولا ماژول‌هایی از فیبر در فواصل متناوب نصب شده و باعث کاهش ضریب پراکندگی کل می‌شوند.
ماژولهای DCF با مقادیر متفاوت پراکندگی در بازار یافت می‌شود. مقدار مناسب برای جبران‌کننده به مقدار پراکندگی کل مسیری که ماژول در آن نصب می‌شود بستگي دارد. در اینجا به تأثیر ترکیب فیبر در انتخاب ماژولهای جبران کننده پرداخته مي‌شود. فرض کنید در یک لینک 100 کیلومتری بخواهیم از یک سیستم انتقال 10GB/s استفاده نماییم. کل پراکندگی محاسبه شده در طول موج 1550 نانومتر برابر ۴۴۰ps/nm است. بعضی از سازندگان سیستم‌های نوری 10GB/s حد مجاز برای جبران ضریب پراکندگی را برابر 85 درصد اعلام کرده‌اند. برای لینک فوق مقدار مجاز برای جبران برابر 374ps/nm محاسبه می‌شود.
با مشخص شدن این مقدار ماژول DCF که در بازار یافت شده و نزدیک این مقدار باشد انتخاب می‌شود. حال فرض کنید 75 کیلومتر از مسیر فوق کابل فیبر (G655-NZ) و 25 کیلومتر دیگر کابل فیبر (G652-SM) انتخاب شود. مقدار پراکندگی برابر 755ps/nm بوده و برای جبران ضریب پراکندگی بایستی از ماژول DCF با پراکندگی نزدیک به 642ps/nm استفاده شود. نتیجه اینکه در ترکیب فیبرهای NZDSF و SM ،ممکن است با توجه به مقدار پراکندگی اضافه شده برای مسافت‌های کمتر نیاز به استفاده از ماژولهای DCF باشد.
شیب منحنی پراکندگی لینک
همانطور که بحث شد به هنگام ترکیب فیبرهای مختلف، مقدار پراکندگی لینک در طول موج 1550 نانومتر ممکن است افزایش ابد و در این صورت از ماژولهای جبران کننده استفاده می‌شود. اما در سیستم‌های تافت‌گری با تقسیمات فشرده طول موج (DWDM ) انتقال در چندین طول موج انجام می‌گیرد و ضریب پراکندگی این طول موج‌ها با مقدار آن در طول موج 1550 نانومتر متفاوت است.
شکل 1 تغییرات ضریب پراکندگی را برای چند نوع فیبر نشان می‌دهد. تغییرات پراکندگی در طول موج‌های مختلف با کمیتی به نام شیب پراکندگی فیبر در طول موج 1550 نانومتر (S1550 ) مشخص می‌شود. فیبرهای مختلف ممکن است دارای شیب‌های گوناگون باشند و مقدار پراکندگی فیبر با شیب کمتر را برای دامنه زیادی از طول موج می‌توان به گونه‌ای آسان‌تر جبران كرد.
جدول 4 شیب پراکندگی را برای چند فیبر مختلف نشان می‌دهد. لازم به ذکر است فیبرهای (G655-NZ ) در بازار با دو طرح مختلف عرضه می‌شود. فیبر طرح کورنینگ دارای سطح مقطع مؤثر زياد بوده که برای انتقال توان در مسافت‌های طولانی‌تر بهتر است و فیبرهای Area Effective Large نامیده می‌شوند. فیبرهای طرح لوسنت دارای سطح مقطع مؤثر کمتری است. مزیت فیبر طرح لوسنت شیب پراکندگی کم آن است. این فیبرها را فيبرهاي با شيب پراكنده می‌نامند. فیبرهای NZDSF مورد استفاده در ایران فیبر طرح كم کورنینگ است.
همان طور که در شکل 1 و جدول 4 مشاهده می‌شود، شیب پراکندگی فیبرهای انتقال مثبت است، به این معنی که در طول موج‌های بزرگتر پراکندگی بیشتر خواهد بود. بنابراین شیب ماژولهای جبران کننده بایستی منفی باشد تا ماژول‌ها بتوانند در دامنه بیشتری از طول موج مقدار پراکندگی را جبران كنند. توانایی یک ماژول برای جبران شیب پراکندگی فیبر را می‌توان با پارامتر شیب پراکندگی نسبی (RDS) نشان داد. شیب نسبی، نسبت شیب به مقدار پراکندگی در طول موج 1550 نانومتر است. به صورت ایده آل مقدار شیب نسبی ماژول باید برابر شیب نسبی فیبر باشد. این مفهوم را می‌توان به صورت ریاضی چنین نوشت:
همان طور که در جدول 4 مشاهده می‌شود شیب نسبی DCFها اغلب برابر شیب نسبی فیبرهای انتقال نيست. نسبت جبران شیب پراکندگی (DSCR) به صورت زیر تعریف شده و نشان می‌دهد یک DCF چقدار توانایی جبران شیب مربوط به فیبر انتقال را دارد.
استفاده از DCF استاندارد فقط 63 درصد شیب فیبرهای (G652) را جبران می‌كند، ولی DCF باند پهن، میتواند 100 درصد شیب پراکندگی را جبران کند. با استفاده از جدول 4 می‌توان با توجه به انتخاب DCF و نوع فیبر میزان جبران را برای هر مورد محاسبه كرد. هنگامی که در شبکه از فیبرها به صورت ترکیبي استفاده می‌شود، باید مقدار پراکندگی و شیب را با استفاده از میانگین وزنی پیدا كرده و مقدار RDS را برای لینک مربوط محاسبه نمود. با مشخص شدن این پارامتر می‌توان در مورد انتخاب نوع DCF مناسب تصمیم‌گیری كرد. برای لینک ترکیبی نمونه 100 کیلومتری که 75 کیلومتر آن فیبر NZDSF و 25 کیلومتر فیبر SM بوده است مقدار شیب پراکندگی برابر ۰/۰۷۵ و مقدار پراکندگی برابر ۷/۵۵ محاسبه شده است. بنابراین مقدار RDS ترکیب برابر ۰/۰۰۶۳ است. با توجه به جدول و نظر به اینکه این مقدار بسیار نزدیک به مقدار DCF NZDSF است جبران شیب پراکندگی لینک ترکیب با ترکیب فیبرهای SM و NZDSF بسیار بهتر از جبران شیب پراکندگی لینک با هریک از فیبرهای SM و NZDSF به صورت تکی است.
طول موج قطع
طول موج قطع، طول موجی است که رفتار فیبر نوری از حالت مولتی مد به حالت سینگل مد تغییر می‌کند. برای انتقال سیگنال به صورت سینگل مد، طول موج قطع فیبر بایستی کمتر از طول موج کار سیستم باشد. در صورت انتقال در طول موج های کمتر از طول موج قطع، مدهای اضافی در فیبر منتقل شده و باعث محدودیت ظرفیت انتقال می‌شود. بر اساس توصیه های ITU برای فیبر (G652 )SM، طول موج قطع فیبر نباید از 1260 نانومتر بیشتر باشد. این حد برای فیبرهای (G655 (NZDSF برابر 1480 نانومتر اعلام شده است. بنابراین در حالی که فیبرهای SM می‌توانند در طول موج 1310 نانومتر که طول موج مرسوم تجهیزات نوری هستند بکار گرفته شوند با توجه به تنوع فیبرهای NZDSF از نظر مقدار طول موج قطع، فیبرهای مذکور، ممکن است این قابلیت را نداشته باشند. طول موج قطع فیبرهای طرح کورنیینگ معمولا 1550 نانومتر است. فیبرهای طرح لوسنت دارای طول موج قطع کمتری بوده و ممکن است طول موج 1310 نانومتر را نیز پوشش دهد. بنابراین در صورت ترکیب فیبرهای SM و NZDSF بایستی امکان استفاده از طول موج 1310 نانومتر نيز بررسي شود.
اثرات غیر خطی
افزایش پراکندگی غیر خطی و ضریب انکسار فازی در فیبر نوری بر عملکرد سیستم‌های انتقال که در آنها نور به صورت تقویت شده ارسال می‌شود، مؤثرند. این پدیده به سطح مؤثر فیبر نوری، ضریب انکسار غیر خطی، نقطه اوج بریلون، ضریب بهره رامان و ضریب پراکندگی فیبر بستگی دارد. به علت پیچیدگی تعامل این پارامترها بر يكدیگر، برنامه‌های شبیه سازی رايانه‌اي برای بررسی آنها و نتایج حاصل در تجهیزات انتقال توسعه یافته اند. فیبرهای با قطر میدان مد بالا (MFD) دارای سطح بزرگتری هستند. با توجه به کاهش دانسیته نور در این فیبرها، توان نوری بیشتری را می‌توان منتقل كرد. به علت به اینکه معمولا در سمت فرستنده توان بیشتر است، استفاده از فیبرهای با سطح بزرگتر در فاصله تا 20 کیلومتری فرستنده و یا تقویت کننده بسیار مفید است. همچنین با توجه به توزیع پراکندگی رامان بهتر است از فیبرهای با قطر میدان مد کمتر در طرف گیرنده که خود منبع این پراکندگی هستند استفاده نمود.
نتيجه
با توجه به تنوع فیبرهای موجود در بازار، گاهی لازم است فیبرهای مختلف در کنار هم در یک شبکه نوری مورد استفاده قرار گیرند. در این صورت لازم است موارد زیر در مباحث طراحی مد نظر قرار گیرند:
- اتلاف نقطه اتصال
- خطای اندازه گیری یک طرفه توسط دستگاه OTDR
- پراکندگی کروماتیک مسیر
- شیب پراکندگی مؤثر
- طول موج قطع
- آثار غیر خطی
بجز آخرین مورد، سایر موارد قابل محاسبه و تعیین مقدار بوده و برای آثار غیرخطی نیاز به آنالیز توسط رایانه است. همچنین توصیه می‌شود در طراحی مسیر، در 20 کیلومتر اول در سمت فرستنده و یا تقویت‌کننده جهت در نظر گرفتن احتیاط‌های لازم مهندسی، فیبر مناسب انتخاب شود.
این مقاله توسط مهندس محمدعلی مساواتی نوشته شده و در مجله سیم و کابل منتشر شده است.
