فیبر نوری در شبکه راه دور
در ایـران و بـه دنبال بررسـی‌های انجام شـده توسـط شـرکت زیرسـاخت، استفاده از سیستم‌های منسـجم 100G در دستور کار قـرار گرفتـه و بـا توجـه به وجـود سیسـتم‌های قدیمی‌تـر ۱۰G، سـاختار کابل‌هـای مـورد اسـتفاده به صـورت هایبریـد و ترکیبی از 36 فیبـر LL و12 فیبـر از نوع NZDS تعیین شـده اسـت. در این مقاله به بررسـی بیشـتر این سیسـتم پرداخته و فیبرهای مناسـب برای آن معرفی می‌گردد.
شبکه های منسجم
هنگامـی کـه از آینـده فیبـر صحبـت می‌شـود، بيشـتر توجه‌ها بـه نزدیک‌تـر بـردن فیبـر بـه مشـترکین، جلب می‌شـود؛ بـا این حـال، مهم اسـت کـه دقت شـود چگونه درخواسـت عمـوم برای برنامه‌هـای کاربـردی بـا تعامـل دادهای زيـاد می‌توانـد بـر روی بخـش راه دور شـبکه‌ها نیـز تأثیـر بگـذارد. لینـک بیـن شـهرها بایـد مسـیری بـا حجـم روزافـزون ترافیـک دیتـا را بـا درصـد اطمینان بسيار فراهم آورد تا تنگنایی در انتقال رخ ندهد. افزایـش نـرخ داده در هـر کانـال تـا 400G بـه عنـوان یـک اولویـت در سـرفصل صنعـت مخابـرات راه دور قـرار گرفتـه و سـازندگان فیبـر نوری باید بـا نـوآوری امکان انتقـال چنین سـرعتی را به شکلی مؤثر فراهم آورند.
گریزی به پاشندگی رنگی
در اواخـر دهـه 1990، سـازندگان فیبر نوری در پاسـخ به ظهور سیسـتم‌های مالتی پلکس متراکم تقسـیم طـول موج (DWDM) بـرای بانـد C (از طـول مـــوج 1530nm تـا طـــول مـــوج 1565nm ) طراحـی جدیـدی از فیبـر نـوری را توسـعه داده و به بازار عرضه كردند. با توسـعه شـبکه‌ها و اسـتفاده از تقویت کننده فیبـر اربیومـی (EDFAs) بـا اعمـال تغییراتی در طراحـی فیبر و بـا تغییـر طـول موج صفر پاشـندگی فیبـر از 1310nm و انتقال آن بـه طـول مـوج خـارج از بانـد C و کمـی قبـل از آن و کمتـر شـدن پاشـندگی رنگـی به میـزان 75 درصـد پاشـندگی فیبرهای اسـتاندارد G652 T-ITU در ایـن طـول موج‌هـا، ایـن امـکان فراهـم شـد تـا در شـبکه‌های طولانی، نیـاز بسـیار کمتـری به استـــفاده از ماژول جبــران پاشــــندگی رنگــی (DCMS) در ایسـتگاه‌های تقویت کننـده باشـد، کـه نتیجـه آن هـم کاهـش هزینـه کل شـبکه بـوده و هـم امکان نصب مسـافت بیشـتری را فراهـم نموده اسـت.
این نوع جدید فیبر با پاشـندگی شـیفت‌یافته غیـر صفـر (NZDS) بـا اسـتاندارد 655.G T-ITU بـه بـازار عرضه شـد و در اوایل قرن جدید، برای اسـتقرار در مسـافت‌های طولانی در اروپا و شمال امریکا، بازار را تسخیر كرد. در سـال‌های اخیـر، پیشـرفت در فنـآوري ترانسـپوندر راه دور، سـرعت انتقـال در کانـــال را بسـیار فراتـر از 10G افزایش داده اسـت، بـه طـوری کـه در حـال حاضـر انتقـال در 100G در مسـافت‌های طولانی گسـترش یافتـه و انتقـال در 200G بـه طور فزایندهای رایج می‌شود.
فرمـــت‌های مدوالسیـــون جدیــد بــرای انتقـــال ماننــد PM-QPSK و PM-QAM16 در 100G و بيشـتر توسـعه یافته‌انـد. در ایـن فرمــت‌ها از قطبـــش و فـاز – و در مـورد PM-QAM16 همچنیـن از دامنـه – بـرای کـد گـذاری بیـت داده‌هـا به شـیوه طیفی کارآمدتري اسـتفاده می‌شـود (شـکل 2) انتخـاب فرمت‌هـای مدوالسـیون از طریـق تشـخیص منسـجم فراهـم می‌شـود. بـا اسـتفاده از تشـخیص منسـجم و پـس از آن سیسـتم پـردازش دیجیتـال، جبـران پاشـندگی بـه صـورت الکترونیکـی در گیرنـده انجـام شـده و بـه همیـن دلیـل تـا حـد زیادی مزایای پاشندگی فیبرهای NZDS کاهش یافته است.
بـا ایـن حال، آنچه اکنون اهمیت یافته اسـت، نسـبت سـیگنال بـه نویـز نـوری (OSNR) اسـت. از آنجـا کـه بـرای انتقـال بیت‌هـای بیشـتری در فرمتهای مدوالسـیون مبتنـی بر QAM در سـیگنال، از دامنـه در چنـد سـطح اسـتفاده می‌شـود، میرایی و یـا افت سـطح تـوان سـیگنال می‌تواند بـر عملکرد سیسـتم تأثیر منفـی بگـذارد. بـرای رمزگشـایی بـدون خطـا از سـیگنال‌های پیچیـده در گیرنـده، جمـع مقادیر نویـز نباید در مقایسـه با قدرت سـیگنال دریافتـی قابـل ملاحظه باشـد. ایـن الـزام بخصـوص برای سیستم‌های بیش از 100G، حیاتی است.
طراحـی فیبـر نـوری می‌توانـد در کاهـش ایـن محدودیـت کمـک کنـد. انتخاب یـک فیبر بـا تضعیف پاییـن تضمین می‌کند کـه قدرت سـیگنال بـرای مسـافت‌های طولانی‌تر، قویتـر باقی بمانـد و در نتیجـه مقـدار OSNR بهبود یابـد. دو کلاس مختلف 1 فیبـر بـرای اسـتفاده در شـبکه مـورد توجه‌انـد. فیبـر بـا افت کم کـه دارای افـت ۰/۱۸db/km در طـول مـوج nm 1550 اسـت.) در مقایسـه بـا افـت بیـش از ۰/۲db/km بـرای فیبرهـای معمولی سینگل مد D.652.G بـرای نصـب و راه انـدازی بیشـتر شـبکه‌ها، فیبر با افت بسـیار بـا تضعیـف ۰/۱۶db/km در 1550nm بایـد در نظـر کـم گرفتـه شـود.
از طریـق اسـتفاده از طراحـی و بکارگیـری هسـته فیبـر از جنـس سـیلیکای خالـص، فیبـر نـوری نـه فقـط دارای تضعیـف كمتـری اسـت، بلکـه ضریب شکسـت کمتری نسـبت بـه یـک فیبرنـوری معمولـی کـه دارای هسـته سـیلیکا ممـزوج شـده بـا ژرمانیوم اسـت دارد که خـود باعث بهبـود در زمان تأخیر متوسـط سـیگنال می‌شـود.
در طـول 1000Km ،فیبـر ULL در مقایسـه بـا فیبـر تـک مـد D.652.G معمولـی دارای مزیـت OSNR بیشتری تا ۴db است. اسـتفاده از فیبرهـای ULL در آزمایش‌هـای مختلـف، مزایای فیبرهـای جدیـد را نشـان داده اسـت. در آزمایـش انجام شـده با همـکاری کورنینـگ و سیسـکو بـرای بررسـی میـزان مسـافت ممکـن بـرای انتقال بدون خطـا با اسـتفاده از فیبرهای ULL در مقایسـه بـا فیبرهـای G652 و بـا بکارگیـری تقویت کننده‌هـای EDFA معمولـی، مسـافتی بیـش از 3000Km بـه صـورت 24 دهانـه بـا دهانـه 125 کیلومتـر بـه دسـت آمد کـه در مقایسـه با فیبـر تـــک مـد معمـــولی، بهبـــودی در حـدود 35 درصـد را نشان می‌دهد.
با مشــارکت بعـد از ایـن تجربـه و در کنفرانس 2014 OFC کورنینگ و اکسـترا، نشـان داده شـد که در صورتی کـه از تمامی مزایـا و امکانـات موجـود مثـل فیبرهـای ULL و تجهیـزات تقویت کننـده بـا فناوری بالا اسـتفاده شـود، برای انتقـال 100G ، دهانـه 500 کیلومتـر نیـز دســـت یافتنـی اسـت. بـر اســـاس پژوهش‌هـای مؤسسـه CRU، حـدود 90 درصـد از مسـیرهای جدید راه دور، خارج آمریکای شـمالی و اروپا و بیشـتر در مناطقي ماننـد چیـن، هنـد، خاورميانه و آفریقا بوده اسـت.
بسـیاری از این مسـیرها، در محیط‌های سـخت ماننـد بیابان، جنگل‌هـای بارانی گرمســـیری، کوه‌هــا و غیــره بـوده اسـت. نصـب تجهیــزات تقویت کننـده در بعضـی از ایـن مناطق با وجود مشکلات شـبکه حمـل و نقـل و یـا شـبکه‌های برق سـاخته شـده اسـت و هزینه قابـل توجهـی بـرای سـاخت، تأمیـن بـرق، و امنیـت سـایت‌ها تحمیـل شـده اسـت. اسـتفاده از فیبرهـای ULL، علاوه بـر افزایـش مسـیر نصـب، طـراح شـبکه را قـادر می‌سـازد تـا بـا انعطاف‌پذیـری بیشـتری تعـداد سـایت‌های تقویت کننـده در ایـن مناطق را به حداقل برساند. در منطقـه‌ای در آمـازون، شـبکه از 13 اسـپن با طـول بیش از 100 کیلومتر تشکیل شده است.
سال 2015 – محیط مختلط در مخابرات راه دور
بـا توجـه به تحقیقات انجام شـده در بازار توسـط مؤسسـه IHS، در حالـی کـه سیسـتم‌های 100G و بالاتر به طـور فزایندهای در حـال تسـخیر سـهم بزرگی از بـازار هسـتند، دسـتگاه‌های 10G هنـوز حـدود نیمـی از درآمد فـروش را به خود اختصـاص داده‌اند.
در هـر شـبکه کـه در آن هنـوز از تجهیـزات 10G اسـتفاده می‌شـود، پاشـندگی رنگـی هنـوز بـه صـورت یـک محدودیـت باقـی می‌مانـد و ماژول‌هـای جبران کننـده پاشـندگی هنـوز هـم مـورد نیـاز خواهند بـود و اسـتفاده از فیبر NZDS الزامی اسـت. کابـل ترکیبـی و یـا هایبریـد، که در آن بخشـی از فیبرهـا از نوع 655 G و بخشـی از نـوع D.652.G اسـت، یـک راه حل بسـیار مناسـب بـرای تأمیـن شـرایط مختلـف ترافیـک در یـک مسـیر اسـت.
بـه عنوان مثـال، ترافیک محلـی بین شـهرهای نزدیک را می‌تـوان بـا 10G و فیبـر NZDS اجـرا كـرد، در حالـی کـه ترافیـک اکسـپرس در حـال اجـرا در G 100، می‌توانـد بـر روی فیبـر اسـتاندارد تـک مـد اسـتاندارد اجـرا شـود. همچنیـن بایـد توجـه داشـت که افت بسـیار کم و پاشـندگی رنگـی کم، خواص متقابلـی نیسـتند. گرچـه فیبرهـای NZDS نسـبت بـه فیبرهای همتـای آن D.652.G T-ITU دارای افـت کمـی بیشـتر اسـت، ولـی فیبـر NZDS بـا افـت کمتـر از ۰/۱۹db/km در طـول موج 1550 نانومتر به صورت تجاری در دسترس است.
فراتراز افت کم – سطح مؤثر بزرگتر
در صورتـــی کــه كاربرهــاي مخابــرات الزاماتــی فراتر از اسـتانداردهای 652.G و 655.G T-ITU را مـد نظـر قرار دهند، امـکان بهبـود بیشـتر OSNR امکان‌پذیر اسـت. افزایش سـطح مؤثـر فیبـر کـه در واقـع محـل اصلـی شیشـه بـرای حمـل نـور اسـت، رویکـردی اسـت کـه اجـازه می‌دهد تا تـوان نـوری بالاتر را بـدون افزایـش اثـرات غیـر خطـی بـه فیبـر تزریق نمـود. اگر سـطح مؤثـر فیبرهـای ULL را بتـوان افزایـش داد، می‌تـوان از مزایـای بهبـود OSNR اسـتفاده كـرد. فیبر نـوری کـه عمدتا در کابل‌هـای زیـر دریایـی اسـتفاده می‌شـود، فیبرهـای با افت بسـیار μm2 112 اسـت. ایـن نوع فیبر کـم و دارای سـطح مؤثر اسـمی تحـت اسـتاندارد B.654.G T-ITU .طبقه‌بندی شـده اسـت.
در رویــداد OFC 2015 لس‌آنجلـس، شرکــت‌های کورنینــگ و اکسـترا، افزایـش دهانـه بیـش از 600KM را بـا اسـتفاده از این نـوع فیبـر بـه نمایـش گذاشـتند. سـطح مؤثـر ایـن فیبـر و افـت بسـیار کـم در مقایســه بـا سـطح مؤثـر فیبـر معمـول اسـتاندارد 652G باعـث بهبـود ۱/۵km در OSNR شـده اسـت. سـطح مقطع فیبرهای معمول، برابر 280μm است.
فشار و خمش فیبرها
در تعییـن اینکـه فیبـر نـوری بـا سـطح مؤثـر بزرگتـر، برای عملیـات در شـبکه‌های بـا مسـافت‌های طولانی زمینی مناسـب اسـت، بایـد بـه افزایـش حساسـیت ایـن نـوع از فیبـر در خم‌هـا، توجـه بیشـتری كـرد. در فیبرهای نـوری با هسـته‌های بزرگتر، مقـدار بیشـتری از نـور در اطـراف محل برخورد هسـته (Core)و غلاف (Clad) حرکـت می‌کنـد کـه اگـر محـور هسـته انحـراف کمی از خط راسـت داشـته باشـد، نور بیشـتری تلف خواهد شـد. در مقایسـه بـا کابل‌هـای زیردریایی کـه از ابتدا فیبر با سـطح مؤثر بيشـتري بـرای آنهـا در نظـر گرفتـه شـده، در سـاختار معمـول کابل‌هـای زمینـی، لایه‌های مختلـف کابل، ریز خم‌های بیشـتری بـه فیبـر تحمیـل می‌كنند. با افزایش بیشـتر سـطح مؤثـر در این کابل‌هـا، تلفـات بیشـتری در ریـز خم‌هـا ایجـاد می‌شـود کـه اثـر 112μm2 منفـی درمقـدار OSNR دارد.
مناسـب بـودن مقـدار بـرای سـطح مؤثـر فیبـر در کابـل زمینـی بـه تازگـی نشـان داده شـده اسـت. در حـال حاضـر بـرای کابل‌هـای زیردریایـی فیبـر با 145μm2 نیز به بازار عرضه شـده اسـت. سـطح مؤثر بيشـتر از مطالعات بیشـتری لازم اسـت که مشـخص نماید بـرای اطمینان از مناسـب بـودن آن در کابل‌های زمینی سـطح مؤثـر فیبر را تا چه میـزان می‌تـوان افزایـش داد.
در نتیجـه، تنوعـی از انـواع مختلف بـرای اسـتقرار در سیسـتم‌های بـا مسـافت طولانی و فوق‌العاده طولانی در دسـترس اسـت. فیبـــر NZDS دارای مزایایی در سیسـتم‌های تشـخیص مسـتقیم غیر منسـجم بوده و می‌تواند در ترکیـب بـا فیبرهـای با افت کم نیـز در سیسـتم‌های مختلط مورد اسـتفاده قـرار گیـرد. فیبرهـای LL و فیبرهـای ULL، بهتریـن فیبـر برای اسـتفاده در سیسـتم‌های انتقال دادهای بالا با پروتکل تشـخیص منسـجم اسـت. مزیت‌های بسـیاری نیز برای فیبرهای ULL و بـا سـطح مؤثـر بالا نیـز قابـل پیش‌بینی اسـت که لازم اسـت سـازگاری و قابلیـت اطمینـان ایـن نـوع فیبـر در کابـل زمینی آزمایش و صحه‌گذاری شود.
ترجمه و تهیه: مهندس علی مساواتی
