فیبر نوری در ارتباطات زیرساخت

سرعت تحولات و پیدایش فن‌آوری‌ های نوین، تنوع خدمات پیشرفته و تقاضای فزآینده برای این خدمات، لزوم استفاده بهینه از منابع مالی و انسانی و گسترش روز افزون بازار رقابت، موجب گردیده تا نگرش به صنعت مخابرات در قیاس با سایر صنایع متفاوت باشد. این نگرش هوشمندانه مبین این واقعیت است که فن‌آوری‌ اطلاعات و ارتباطات نیروی محـرکـه تــوسعه در همه ابـعـاد اسـت و ایـن مـهم ضـرورت‌های توسعه را متجلی می‌گرداند.

در این راستا شرکت ارتباطات زیرساخت توسعه شبکه‌ های مخابراتی مبتنی بر فن‌آوری نوری را در دستور کار خود قرار داده‌است.

از جمله اهداف این طرح می‌توان به موارد ذیل اشاره نمود:

– پاسخ‌دهي به نيازهاي ارتباطي برنامه‌هاي توسعه كشور

– سوق‌دادن جامعه به سمت جامعه اطلاعات

– سرعت بخشيدن به توسعه اقتصادي و اجتماعي

– ارائه خدمات مورد نياز جامعه در حد مطلوب

– رفع موانع و تنگناها براي پياده‌سازي دولت الكترونيكي

– حضور مؤثر در دهكده جهاني

– ايجاد زيرساخت لازم براي تجارت الكترونيكي

– ايجاد شاه‌راه ارتباطي جهت حمل ترافيك

– ايجاد قطب ارتباطات منطقه‌اي در داخل كشور و تقويت توان راهبردي

– امكان حضور گسترده و فعال در تمام نقاط كشور از طريق نقاط حضور (POP )

– حضور در بازار رقابتي

– امكان دسترسي به شبكه‌هاي نوري يكپارچه

– ايجاد شبكه يكپارچه مخابراتي توسعه‌پذير و قابل انعطاف

براي نيل به اهداف فوق، نياز به بستر مخابراتي با پهناي باند وسيع و مطمئن می‌باشد؛ در اين راستا فيبر نوري با مزاياي ذیل به‌ كارگرفته شده است:

– تضعيف پايين

– قيمت تمام شده مناسب

– سهولت كار كابل‌كشي به دليل سبك بودن

-عدم نويزپذيري

– تأثيرناپذيري از عوامل خارجي ( مانند ميدان‌ هاي الكتريكي و مغناطيسي )

– امنيت بالا به علت شنود ناپذيري (در مقابل سيستم‌ هاي راديويي)

– عدم همشنوايي

– پهناي باند وسيع و مطمئن

– شبكه‌ سازي مطمئن با قابليت انعطاف

– قابليت ايجاد شبكه همگرا

و درنهایت اكنون امكان ارائه خدمات مختلف در هر زمان و هر مكان و براي هرکس فراهم آمده است.

شبكه يكپارچه نوري ايران با پهناي باندي در حدود ترا هرتز ( Tr Hz ) متشكل از بزرگراه‌هايي براي ارسال و دريافت بهنگام اطلاعات است؛ بطوري‌كه بدون وجود اين فن‌آوري دقيق و حساس، امكان ارائه خدمات چندرسانه‌ اي ميسر نيست. با وجود شبكه يكپارچه نوري ايران مي‌توان حجم اطلاعات بسيار زيادي را جابجا نمود و شركت ارتباطات زير ساخت ايران با استفاده از توانمندي‌هاي آن قادر است به‌عنوان قطب مخابراتي در منطقه عمل نموده و كشورهاي مختلف همسايه را نيز به هم متصل سازد.

خدمات بالقوه شبكه ملي فيبر نوري ايران

خدمات مخابراتي از اجزاء عمده اقتصاد ملي و جهاني به‌شمار مي‌روند، زيرا علاوه بر سودآوري هنگفت نقش اساسي و محوري در ارتقاء سطح اقتصادي، اجتماعي و فرهنگي ايفا مي‌نمايند؛ به همين دليل شركت‌هاي بسياري راغب به سرمايه‌ گذاري در بخش‌ هاي مختلف شبكه مخابرات گرديده‌اند. اين سرمايه‌گذاري‌ ها گردش مالي مطلوب، ارائه خدمات متنوع وگسترده‌، تبعات اجتماعي مفید مانند ايجاد اشتغال، بهبود وضع بهداشت و درمان، ارتقاء سطح دانش عمومي و تخصصي، امنيت، صرفه‌جويي در وقت و انرژي و بسياري ديگر را درپي دارند. با توجه به اينكه شبكه يكپارچه نوري ايران واسط ميان شبكه‌ هاي محلي، شهري و منطقه‌اي است بخش مهمي از خدمات قابل ارائه از طريق شبكه نوري ايران مستلزم پيش‌بيني و عرضه اين سرويس‌ها در LAN ها و شبكه‌ هاي شهري متصل به شبكه يكپارچه نوري ايران است كه عبارتند از:

ارسال داده با سرعت بالا، تلفن تصويري، ويدئو بر اساس تقاضا Video on – demand))، پزشكي از راه دور، آموزش از راه دور، اينترنت پرسرعت، ارسال متن (Text)، كنترل خانه از راه دور، ارسال فايل‌هاي با حجم زياد، ويدئو كنفرانس، بانكداري الكترونيكي، خريد از راه دور، خدمات صوتي با كيفيت بالا، خدمات چندرسانه‌اي (Multi Media) و ارائه پهناي باندهاي مختلف به متقاضيان بر اساس درخواست آنها.

رويكردهاي فني

براي ايجاد يك شبكه مخابرات فیبر نوري كارآمد و نيل به اهداف برشمرده، بايستي موارد ذیل در نظر گرفته شود:

– رعايت استانداردهاي بين‌المللي

– استفاده از تجهيزات منطبق بر فن‌آوري‌هاي روز

– رعايت اصول صحيح شبكه‌ سازي

– استفاده مناسب از برنامه‌ هاي نرم افزاري براي طراحي شبكه

– بهره‌گيري از نيروي انساني متخصص، آموزش‌ديده و كارآمد

در اين راستا مشخصات تارهاي به كارگرفته شده در شبكه فيبر نوري كشور در برنامه‌هاي توسعه در مقاطع زماني مختلف با توجه به استانداردها و فن‌آوري روز و متناسب با توانايي توليد تجهيزات مخابراتي مربوطه انتخاب گرديد كه به شرح ذيل مي‌باشند:

تار فیبر نوری (SM (Single Mode Fiber مطابق با استاندارد G652:

اولين تار فیبر نوري كه به طور فراگير درشبكه‌ هاي مخابراتي مورد استفاده قرار گرفت، تار فیبر نوری SM براساس توصيه G652 اتحاديه بين‌المللي مخابرات (ITU-T) می‌ باشد. اين تار فیبر نوری در پنجره ۱۳۳۰nm داراي پاشندگي صفر بوده و حداقل تضعيف آن در پنجره ۱۵۵۰nm است. نكته قابل ذكر اين است كه در پنجره ۱۵۵۰nm عليرغم تضعيف كم، پاشندگي در آن زياد بوده و در پنجره ۱۳۳۰nm عليرغم پاشندگي صفر، داراي تضعيف بالاتري است. اين نوع تار فیبر نوری جهت كار در پنجره ۱۳۳۰nm طراحي شده است و با توجه به مسافت و نرخ بيت ارسالي روي آن درسال‌هاي اوليه استفاده از تار فیبر نوري كاربرد فراواني داشته است به طوري‌ كه بخش اعظمي از شبكه‌ هاي موجود مخابراتي از اين نوع تار فیبر نوری استفاده مي‌نمايند و دربرنامه پنج ساله اول توسعه نيز از اين نوع تار فیبر نوری استفاده گرديده است.

با توجه به مقدار تضعيف اين تار فیبر نوری در پنجـره ۱۳۳۰nm كــه محدوديــت فاصله را درپي دارد اسـتـفـاده از پـنـجـره ۱۵۵۰nm به طور روزافزوني افزايش يافت؛ اما به دليل پاشندگي بالا اين نوع تار فیبر نوری دراين پنجره (شکل ۱) و افزايش نرخ بيت‌هاي ارسالي، عامل محدودكننده پاشندگي نيز خود را نشان داد. به اين دليل طراحان و توليدكنندگان فيبر‌نوري، فيبر نوري جديدي را طرح نمودند كه ضريب پاشندگي آن در پنجره ۱۵۵۰nm صفر بود، به عبارت ديگر ضريب پاشندگي صفر از پـنجـره ۱۳۳۰nm بـه پـنجـره ۱۵۵۰nm منتقل گرديد، به همين دليل اين تار فیبر نوری جديد را (DSF) (Dispersion Shifted Fiber) مي‌‌نامند.

شكل ۱: نمايش پاشندگي برحسب طول موج تار فیبر نوری (SM)

 

تار فیبر نوریDSF مطابق با استاندارد G653 :

با توجه به اينكه تار فیبر نوری درپنجره ۱۵۵۰nm تضعيف كمتري نسبت به پنجره ۱۳۳۰nm دارد (شكل ۲) استفاده از اين پنجره توجه استفاده‌كنندگان را جلب نمود و توليد ادوات و تجهيزات فیبر نوري دراين پنجره افزايش چشمگيري پيدا كرد. به‌طوريكه در طی چند سال پنجره ۱۵۵۰nm دركاربردهاي مخابراتي از اهميت ويژه‌اي برخوردار شد.

اين تار فیبر نوري با توجه به افزايش میزان بيت ارسالي و طول مسير توسط طراحان ارائه و در شبكه‌ هاي مخابراتي براي فواصل طولاني مورد استفاده قرار گرفت.

شکل ۲: مشخصه پاشندگي تار فیبر نوریDSF و SM

 

در شكل ۲ مشخصه پاشندگي اين ‌تار فیبر نوری را برحسب طول موج و مشخصه تار فیبر نوری SM استاندارد را نشان مي‌دهد. نياز روزافزون ‌به ظرفيت ‌زياد و محدوديت فناوري همتافتگري تقسيم زمانيTDM (Time Division Multiplexing) ، طراحان سيستم‌هاي مخابراتي ‌را به ‌سمت ‌استفاده ‌ازفن‌آوري ‌جديدي به نام همتافتگري تقسيم طول موج WDM (Wave length Division Multiplexing) و Dense –WDM سوق داد.

در اين فن‌ آوري امكان ارسال، دريافت یا ارسال و دريافت همزمان چند طول موج نوري بر روي يك تار فیبر‌ نوری امكان‌پذير است. هریک از طول موج‌ها را يك كانال نوري مي‌نامند كه بطور مستقل اطلاعات مجزايي را حمل مي‌نمايند.

شكل ۳: نمايش سيستم همتافتگري فشرده‌ تقسيم طول موج DWDM

 

بدليل درخواست و كاربرد زياد فن‌آوري DWDM بر روي تار فیبر نوري، به منظور افزايش ظرفيت شبكه‌ هاي مخابراتي، محدوديت‌هايي درانتقال اين فن‌آوري از طريق تار فیبر نوری DSF بروز نمود. اين محدويت‌ها در تار فیبر نوری SM استاندارد كمتر از تار فیبر نوری DSF بود؛ ليكن محدويت قبلي تار فیبر‌نوری SM استاندار كه همانا پاشندگي زياد آن در اين پنجره بود كماكان وجود داشت. محدوديت‌هاي تار فیبر نوری DSF جهت بكارگيري فناوري DWDM به دليل بروز اثرات غير‌خطي شيشه می‌باشد؛ اين اثرات غيرخطي عبارتند از:

– اختلاط چهار موجي Four Wave Mixing) FWM)

– خود مدوله‌سازي فاز Self Phase Modulation) SPM)

– مدوله‌‌سازي متقاطع فاز Cross Phase Modulation) XPM)

– پراكنش «رامان» انگيخته Stimulated Raman Scattering) SRS)

– پراكنش «بريلويين» انگيخته Stimulated Brillouin Scattering) SBS)

پديده‌ اختلاط چهار موجي FWM در پاشندگي صفر بيشترين تأثير را خواهد داشت. اين پديده سبب بروز مؤلفه‌هاي نوري ناخواسته (طول موج‌ هاي نوري جديد) مي‌گردد كه در صورت زياد بودن تعداد طول موج‌ ها و كم بودن فاصله آنها تعداد اين مؤلفه‌ها و مزاحمت آنها بيشتر مي‌گردد، زيرا فيلتركردن طول موج‌ هاي مطلوب به سختي انجام شده و گاهاً اين طول موج‌ هاي ناخواسته دقيقاً روي طول موج‌ هاي اصلي قرار مي‌گيرد كه به هيچ وجه قابل فيلتر كردن نبوده و سبب هم‌شنوايي مي‌گردد؛ به اين دليل فیبر نوری DSF داراي محدوديت زيادي براي به‌كارگيري درسيستم‌ هاي DWDM می‌باشد.

خود مدوله ‌سازي فاز SPM پديده ديگري است كه در اثر چگالي نوري زياد در محيط انتقال شيشه بوجود مي‌آيد؛ SPM به ‌دليل وابستگي ضريب شكست شيشه به توان نوري و در نتيجه وابستگي سرعت انتقال نور در شيشه به توان آن به ‌وجود‌ مي‌آيد. به اين ترتيب با تغيير توان نوري تغييرات فازي به‌ وجود آمده در اثر تغيير سرعت به ترتيبي خواهد بود كه سبب پهن‌شدگي پالس مي‌گردد كه اصطلاحاً بـــه آن جابه‌جايي سرخ Red-Shift و جابجايي آبي Blue-Shift مي‌گويند. اين پديده بيشتر درسيستم‌ هاي تك كاناله با نرخ بيت بالا مزاحمت ايجاد مي‌كند. يكي ديگر از اثرات غير خطي، پديده مدوله‌ سازي متقاطع فاز (XPM) است كه در سيستم‌ هاي چندكاناله (WDM , DWDM) سبب جفت‌ شدگي فازي بين كانال‌ ها و پهن‌ شدگي پالس مي‌گردد.

دو پديده پراكنش نوع SRS و SBS، بيشتر در زمينه تضعيف انرژي نوراني اثر مي‌گذارد كه به علت بالا بودن توان نوري تغذيه شده به فيبر نوری به‌وجود مي‌آيد.

با توجه به محدويت‌ هاي برشمرده فوق، طراحان تار فیبر نوري و پژوهشگران اقدام به طرح و توليد تار فیبر‌ نوري جديدي به نام تار فیبر نوری با جابجايي پاشندگي غير صفر NZDSF نمودند كه در محدوده ۱۵۵۰nm فاقد پاشندگي صفر بوده و سطح مقطع مؤثر آن (Core-Effective-Area) نسبت به تار فیبر‌نوریDSF بزرگتر بود.

تار فیبر نوری NZDSF مطابق با استاندارد G655:

همان‌طور كه از شكل ۴ بر مي‌آيد اين تار فیبر نوری داراي پاشندگي صفر خارج از پنجره ۱۵۵۰nm است و بدين ترتيب پديده FWM درآن حذف مي‌شود. ضمناً به‌ دليل بزرگ‌بودن سطح مؤثر آن به‌ طوركلي اثرات غيرخطي به ميزان قابل توجهي در آن كاهش مي‌يابد.

شكل۴: مشخصه تار فیبر نوری با جابجايي پاشندگي غير صفر NZDSF

 

كاربرد عمده اين تار فیبر نوری براي سيستم‌ هاي DWDM و WDM است. لازم به ذكر است براساس اين توصيه مجموعه‌ اي از تارهای فیبر نوری به‌ نام: (Large Effective Area Fiber) LEAF توسط توليد كنندگان مختلف تار فیبر ‌نوري طراحي و توليد گرديده است كه هريك داراي خصوصيات ويژه‌‌اي بوده و نسبت به‌ هم داراي مزايا و معايبي هستند كه ضروري است هنگام به‌كارگيري اين نوع تارهای فیبر نوری براساس مشخصات سيستم و طرح‌ هاي مربوطه تار فیبر نوری مناسب انتخاب گردد. در ضمن برخي از توليد كنندگان تار فیبر نوري، تحقيقاتي در راستاي حذف يون OH انجام داده‌اند به ترتيبي كه در شكل ۵ منحني تضعيف تار فیبر نوري (‌۵-الف) به منحنی (۵-ب) تبديل شده و تضعيف اين تارهای فیبر‌ نوری در محدوده مربوطه به ميزان قابل توجهي كاهش يافته است به طوري‌كه اين تارهای فیبر نوری داراي ضريب تضعيف حدود ۰.۱۷ dB/km مي‌باشند.

شكل ۵: منحني تضعيف تار فیبر نوري

 

لازم به ذكر است كه در بخشي از برنامه دوم توسعه و در كل برنامه سوم از تارهاي فیبر نوری NZDSF استفاده گرديده است. توسعه سیستم‌ های ارتباطی فیبر نوری انقلابی در صنعت ارتباطات داشته و همچنین نقش عمده‌ای در ظهور عصر اطلاعات بازی کرده‌اند. به موجب مزایای بیشتر ارتباطات فیبر نوری نسبت به سامانه‌ های انتقال اطلاعات در زیر ساخت‌ های برقی مانند زوج سیم‌ های به هم تابیده، کابل‌ های کواکسیال و…، فیبرهای نوری عمدتاً جایگزین سیم‌ های مسی در هسته اصلی شبکه‌ ها در جهان توسعه یافته شده‌اند. فیبر نوری در بسیاری از شرکت‌ های مخابراتی برای انتقال سیگنال‌ های تلفن، ارتباط اینترنتی و سیگنال‌ های تلویزیون کابلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. طبق بررسی‌های به‌عمل آمده با استفاده از ارتباط فیبر نوری به سرعت اینترنتی بیش از petabit ۱۰۰ ×کیلومتر بر ثانیه رسیده‌اند. فرآیند ارتباط با استفاده از فیبر نوری شامل مراحل اساسی ذیل می‌باشد:

– ایجاد سیگنال‌ های نوری توسط یک فرستنده؛

– رله کردن سیگنال در امتداد فیبر نوری (عمل تکرار سیگنال و تقویت آن را رله کردن گویند)؛

– تضمین اینکه سیگنال بیش از حد تحریف یا ضعیف نمی‌شود؛

– دریافت سیگنال نوری و تبدیل آن به یک سیگنال الکتریکی.

فیبر نوری در بسیاری از شرکت‌ های مخابراتی برای انتقال سیگنال‌های تلفن، ارتباط اینترنتی و سیگنال‌ های تلویزیون کابلی مورد استفاده قرار می‌گیرد؛ با توجه به پایین‌تر بودن میزان میرایی (از بین رفتن سیگنال‌ ها) و تداخلی که توسط نویز های موجود در محیط ایجاد می‌شود، فیبر نوری دارای مزایای بسیار زیادی نسبت به سیم مسی در فواصل بسیار دور (ارتباط بین شهرها، استان‌ها، کشوری با کشورهای دیگر و ارتباط بین قاره‌ای) یا تقاضای بالا جهت دسترسی به اطلاعات (مانند اینترنت که نیازمند پهنای باند بسیار بالا به همراه پایین‌ترین حد از خطا در سیگنال‌ های ارسالی و دریافتی است) می‌باشد؛

با این حال توسعه زیرساخت‌ ها بین شهرها نسبتاً دشوار و وقت‌گیر بوده و سیستم‌ های فیبر نوری برای نصب و اجرا پیچیده و گران‌ قیمت بوده‌اند. با توجه به این مشکلات، سیستم ارتباطی فیبر نوری در درجه اول در پروژه‌هایی با فواصل بسیار دور نصب و راه‌ اندازی شد، یعنی جایی که از حداکثر ظرفیت انتقال اطلاعات بر روی این بستر می‌توانستند استفاده کنند و این کار موجب جبران هزینه‌های افزایش‌یافته شد. از سال ۲۰۰۰ قیمت تجهیزات مخابراتی فیبر نوری به طور قابل‌ توجهی کاهش‌ یافت. در حال حاضر هزینه انتقال، نصب و راه‌ اندازی شبکه فیبر نوری تا منازل نسبت به کابل‌ های مسی جهت بستر ارتباطات مخابراتی، اینترنتی و تلویزیونی مقرون به صرفه‌تر می‌باشد.

تیم پشتیبانی آریا ساسل جم