مالتی پلکس به روش تقسیم طول موج یا WDM

برنامه‌هایی مانند شبکه‌های ویدئویی ، سیستم‌های مسیریابی سیگنال مرکز استودیو تلویزیونی، شبکه‌های کنفرانس ویدئویی، سیستم‌های آموزشی ویدئویی تعاملی، شبکه‌های خدمات اطلاعات بانکی، شبکه‌های انتقال بین مراکز داده، شبکه‌های دیجیتال خدمات یکپارچه (ISDN) و به طور کلی همه شبکه های باند پهن به طور فزاینده ای از خطوط نوری مالتی پلکس شده در زمان و طول موج استفاده می کنند. بر این اساس واضح است که رشد تقاضا بخصوص در بخش موبایل و دیتا در سطح جهانی نیازمند بالا بردن ظرفیت انتقال زیرساختهای مخابراتی است.

برای پاسخگویی به افزایش پهنای باند بدون اضافه کردن فیبر نوری جدید، سه راه حل وجود دارد:

روش اول:

دستیابی به سیستمهای با نرخ بیت بالاتر بر روی کانالهای نوری موجود است؛ که تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم زمانی TDM نام دارد . تکنیک های TDM به طور گسترده ای در سیستمهای ارتباطی نوری موجود بکار رفته اند، که ذاتاً برای مالتی پلکس کردن و دی مالتی پلکس کردن به مدارات الکترونیکی وابسته هستند. در سیستمهای TDM بعد از مالتی پلکس کردن کانالها به روش الکترونیکی، عمل تبدیل سیگنال الکتریکی به نوری برای انتقال با فیبر نوری توسط فرستنده صورت می گیرد و در انتهای خط انتقال نوری بعد از آشکار سازی سیگنال نوری و تبدیل آن به سیگنال الکتریکی با دی مالتی پلکس کردن، کانالها به روش الکتریکی از یکدیگر تفکیک می شوند . به این معنی که ظرفیت انتقال شبکه توسط سرعت پردازش در مدارات الکتریکی محدود می شود . لذا بخاطر محدودیتهای فرکانسی مدارات الکتریکی و محدودیتهای فیزیکی ناشی از پاشندگی و اثرات غیرخطی فیبر نوری، گستره توسعه اینگونه شبکه ها محدود می شود.

شکل 1: روش انتقال چندین کانال به شیوه TDM بر روی یک رشته فیبر نوری

روش دوم

نصب فیبرهای جدید است و در مورد شبکه هایی که هزینه نصب فیبر برای آنها کمتراست، این راه حل می تواند اقتصادی ترین گزینه باشد . با این حال، نصب فیبر جدید ضرورتاً باعث امکان ارائه سرویسهای جدیدتر و یا قابلیت مدیریت پهنای باند سیستم نوری نمی شود.

روش سوم

تکنیک مالتی پلکس کردن به روش تقسیم طول موج WDM نام دارد. در ارتباطات فیبر نوری، مالتی پلکس با تقسیم طول موج (WDM) یک فناوری است که توسط آن دو یا چند سیگنال حامل نوری به صورت پرتوهایی از لیزر با طول موج های مختلف در یک فیبر نوری منتشر می شوند. (شکل2)

این سیگنالها سپس با توجه به طول موج خود در انتهای مسیر از یکدیگر تفکیک می شوند . وسیله ای که چندین طول موج نوری متفاوت را بطور همزمان به درون یک فیبر نوری کوپل می کند، مالتی پلکسر نوری و وسیله ای که چندین طول موج درون یک فیبر را از یکدیگر تفکیک می کند، دی مالتی پلکسر نوری نامیده می شود .شکل 3 نمونه ای از سیستم ترکیب و تفکیک طول موجهای نوری را توسط مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری نشان می دهد . مطابق شکل درسمت چپ مالتی پلکسر و در سمت راست دی مالتی پلکسر نوری قرار دارد . ویژگی مهم این ادوات در این است که این ادوات قادرند سیگنال نوری را در هر دو سمت انتقال داده و به اصطلاح دوطرفه هستند.

به بیان ساده تر WDM روشی برای حداقل دو برابر کردن پهنای باند فیبر است. برای مقایسه یک بزرگراه را در نظر بگیرید که در اینجا یک فیبر نقش یک بزرگراه چند بانده را بر عهده دارد. سیستمهای TDM سنتی تنها از یک باند این بزرگراه استفاده می کنند و ظرفیت را با حرکت سریعتر بروی این باند منفرد افزایش می دهند. در شبکه های نوری استفاده از WDM مترادف با دسترسی به باندهای استفاده نشده این بزرگراه برای دستیابی به حجم قابل توجهی از ظرفیت بهره برداری نشده است. لذا این روش یک گزینه عالی برای شبکه هایی است که تلاش می کنند با تقاضا برای پهنای باند بیشتر سازگار باشند.دراین روش عملکرد سیستم مستقل از نوع سیگنال ورودی، نرخ بیت و قالب سیگنال است.

در فناوری WDM تامین کنندگان سرویس با تقسیم بندی و نگهداری طول موجهای اختصاصی متفاوت برای مشتریان مختلف می توانند بجای اجاره یک فیبر، یک طول موج را به مشتریان تجاری پر مصرف خود اجاره بدهند. امروزه تقاضای پهنایی باند مشترکین به قدری بالاست که بدون برقراری شبکه های فیبر نوری WDM در لایه های مختلف ارتباطی، امکان سرویس دهی به آنان امکان پذیر نخواهد بود.

اکثر سیستم های WDM بر روی کابل های فیبر نوری تک مدی کار می کنند که قطر هسته آنها 9 میکرومتر است. اشکال خاصی از WDM همچنین می‌تواند در کابل‌های فیبر نوری چند مدی که دارای قطر هسته‌ای 50 یا 62.5 میکرومتر هستند استفاده شود.

اصطلاح WDM معمولاً برای حامل های نوری به کار می رود که با طول موج آنها توصیف می شود، در حالی که مالتی پلکسی تقسیم فرکانس معمولاً برای حامل های رادیویی اعمال می شود که اغلب با فرکانس آنها توصیف می گردد.این کاملاً متعارف است زیرا طول موج λ و فرکانس f طبق معادله λ=c/f رابطه عکس با یکدیگر دارند و حاصلضرب فرکانس در طول موج برابر با c سرعت موج حامل بوده که با تقریبی معادل سرعت نور در خلاء وبرابر 299792458 m/s است.

بر اساس مستنداتی ایده های اولیه در خصوص WDM به سال 1958 برمی گردد. اما مشکلات فنی قابل حل بسیار سخت بود و متخصصان برای حل آنها زمان زیادی را صرف کردند. حدود 20 سال بعد، اولین نمونه های عملی برای مالتی پلکس در ایالات متحده، ژاپن و اروپا پیشنهاد شد. در سال 1977، اولین قطعه غیرفعال WDM توسط Tomlinson و Aumiller ساخته شد.

در مراحل اولیه این فناوری ابتدا از طول موجهای 1310 nm و 1550 nm برای ارسال همزمان اطلاعات روی یک فیبر نوری استفاده می کردند. با پیدایش تقویت کننده های فیبر نوری برای ارسال اطلاعات در مسیرهای طولانی به دلیل پهنای باند باریک این نوع تقویت کننده های نوری، توسعه فناوری WDM به اطراف طول موج 1550 nm سوق پیدا کرد. با بهبود عملکرد مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسرهای نوری تعداد کانالهای قابل انتقال به مراتب بیشتر می شود.

همچنین انتظار می رود با بهبود پارامترهای فیبرهای نوری و کاهش اتلاف آنها و بهبود عملکرد تقویت کننده های نوری انتقال در مسافتهای طولانی تر با تعداد تقویت کنند ه کمتر با فواصل بیشتر، محقق شود.

توسعه سیستمهای WDM را می توان به سه نسل تقسیم بندی کرد:

نسل اول:

در این دوره تعداد کانالها به 4،8،16 و 32 کانال رسید، فاصله بین کانالها حدود 20 نانومتر و نرخ بیت هر کانال تا 2.5Gb/s، سیستمها با توپولوژی نقطه به نقطه و حداکثر فاصله انتقال با فیبر تک مد به 100 کیلومتر رسید.

نسل دوم:

در این دوره تعداد کانالها به 32،40،64،80 و 128 کانال رسید فاصله بین کانالها تقریبا 0.8 nm و 0.4 nm و نرخ بیت هر کانال تا 10Gb/s، سیستمها با توپولوژی نقطه به نقطه یا حلقه و حداکثر فاصله انتقال با فیبر تک مد به چند صد کیلومتر رسید . در این دوره مبدلهای نوری-الکتریکی-نوری (ترانسپوندرها) مورد استفاده قرار گرفتند.

نسل سوم:

در این دوره کنونی تعداد کانالها به 128،160،256،400،800 وپیش بینی می شود حتی به 1000 کانال هم برسد، فاصله بین کانالها تقریبا 0.2 nm و 0.1 nm و نرخ بیت هر کانال تا بالغ بر 400 Gb/s رسیده، در این دوره جهت گیری به سمت شبکه های تماما نوری با حداقل نیاز به تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی در سو ئیچها ، روترها و تکرار کننده های سیگنال است . در این دوره انتقال مسافت طولانی و با قابلیت هوشمند افزودن / برداشتن طول موج میسر شده است.

عوامل توسعه شگرف در فناوری WDM:

از جمله مهمترین عواملی که سبب شد تکنولوژی WDM رشد شگرفی داشته باشد می توان به عوامل زیر اشاره نمود:

توسعه و بهبود عملکرد تقویت کننده های تماماً نوریEDFA
تهیه فیلترهای تخت کننده طیف تقویت کننده
پیشرفت در تکنولوژی فیلترهای نوری
پیشرفت و بهبود عملکرد مالتی پلکسرها و دی مالتی پلکسرهای نوری
تهیه ادوات اینترلیور و دی اینترلیور برای نصف کردن فاصله کانالها
بهبود پایداری طول موج دیودهای لیزر مخابراتی
بهبود (باریکتر شدن) پهنای طیف دیودهای لیزر
قابلیت تنظیم طیف خروجی دیودهای لیزر
بهبود عملکرد آشکارسازهای نوری
تهیه ماژولهای جبران کننده پاشندگی DCM و پلاریزاسیون PMF

پارامترهای طراحی شبکه WDM

پارامترهای طراحی شبکه WDM را می توان به صورت زیر معرفی نمود:

تعداد طول موجها
نرخ بیت هر طول موج
فاصله بین کانالها
پهنای باند بکارگرفته شده (تقویت کننده نوری)
کارآیی پهنای باند
فاصله بین تقویت کننده های نوری
حداکثر طول فیبر انتقال بدون نیاز به تقویت کننده نوری

حاصلضرب تعداد طول موجها در نرخ بیت هر طول موج تعیین کننده ظرفیت سیستم WDM است. ظرفیت با افزایش پهنای باند نوری مورد استفاده یا با استفاده از همان پهنای باند با راندمان بیشتر (یعنی افزایش نسبت بین نرخ بیت هر کانال بر فاصله بین کانالها )، افزایش می یابد. پهنای باند سیستم توسط پهنای باند تقویت کننده های نوری محدود می شود .درسیستم های WDM پیشرفته پهنای باند تقویت کننده های بکار رفته در لینک ارتباطی تاثیر مستقیمی در پهنای باند کل سیستم دارد. سیستم می تواند شامل تعداد زیادی کانال با نرخ بیت کم، یا تعداد کمی کانال با نرخ بیت بالا باشد . حداکثر فاصله انتقال بدون تقویت کننده نوری و فاصله بین تقویت کننده های نوری یک عامل خیلی مهم در تعیین بهای سیستم های WDM با فواصل طولانی است.

انواع سیستمهای WDM

دسته بندی سیستمهای WDM از نظر طول موجهای بکار گیری، یکطرفه یا دوطرفه بودن، تعداد کانالها و مسافت ارتباطی متنوع است. انواع سیستمهای WDM از نظر جهت ارسال سیگنال نوری به دو دسته یکطرفه و دوطرفه تقسیم بندی می شوند. به علت ماهیت دو طرفه بودن ادوات نوری مثل مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری محدودیتی از نظر ارسال دوطرفه سیگنال نوری در این ادوات وجود ندارد. در سیستمهای مسافت طولانی نیاز است که حتی تا چندین مرتبه سیگنال نوری توسط واحدهای تقویت کننده نوری، تقویت شود.

این واحدها خاصیت دوطرفگی ندارند و فقط می توانند سیگنالها یی که به آنها وارد می شوند را تقویت کنند به همین دلیل جهت سیگنالها در سیستم ارتباطی که نیاز به تقویت دارد پارامتری تعیین کننده در برقراری ارتباط است. در سیستم WDM یکطرفه ارسال طول موجهای نوری در فیبر فقط در یک جهت امکان پذیر است. از این رو برای برقراری یک سیستم ارسال و دریافت نوری می بایست از دو سیستم WDM و دو فیبر نوری به صورت موازی استفاده شود. به علت یکطرفه بودن این سیستم استفاده از آن در سیستمهای مسافت طولانی مناسب است.

زیرا برای تقویت سیگنالهای ارسالی بروی فیبر در مسافتهای طولانی می توان بدون نیاز به تجهیزات اضافی، از تقویت کننده های نوری بین خط استفاده کرد. در سیستم WDM دوطرفه با یک فیبر ارسال طول موجها در فیبر در دو جهت صورت می پذیرد .در این سیستم تنها توسط یک فیبر می توان یک لینک ارسال و دریافت برقرار کرد.

کاربرد چنین سیستمی عموماً در سیستمهای انتقال مسافت کوتاه که نیا زی به تقویت سیگنال نوری نیست،توصیه می شود. برای استفاده از سیستم WDM دوطرفه با یک فیبر برای مصارف مسافت طولانی نیاز است که، حتماً طول موجهای ارسال و دریافت هر یک در یک محدوده باشند، و در هر فاصله ای که نیاز به تقویت سیگنال نوری وجود داشته باشد.

توسط واحد دی مالتی پلکسر نوری دو دسته طول موجهای ارسال و دریافت از یکدیگر جدا شوند و به دو تقویت کننده نوری مجزا اعمال شوند و سپس توسط واحد مالتی پلکسر نوری مجدداً این دو دسته طول موج با هم ادغام شده و روی یک فیبر منتقل شوند. شکل 4 نمایی از این روش را نشان می دهد.

شکل4: سیستم WDM دوطرفه مسافت طولانی با یک رشته فیبر نوری

سه الگوی طول موجی مختلف WDM عبارتند از:

WDM معمولی، WDM درشت (CWDM) و WDM متراکم (DWDM) . در نوع معمولی که گاهی اوقات BWDM نیزنامیده می شود از دو طول موج 1310 نانومترو 1550 نانومتر استفاده می شود. WDM درشت حداکثر 18 کانال را در چندین پنجره انتقال فیبرهای نوری سیلیسی ارائه می دهد. WDM، CWDM و DWDM بر اساس همان مفهوم استفاده از طول موج‌های چندگانه نور در فیبر واحد هستند، اما در فاصله طول موج‌ها، تعداد کانال‌ها و توانایی تقویت سیگنال‌های مالتی پلکس شده در فیبر نوری متفاوت هستند. پنجره های انتقال فیبرهای نوری مطابق شکل 5 عبارتند از پنجره 850 نانومتر، پنجره 1310 نانومتر و پنجره 1550 نانومتر. دلیل اصلی استفاده از اصطلاح “پنجره” ، نحوه عملکرد فیبر نوری در یک طیف یا بازه ای از طول موج های خاص است و هدف از تعریف پنجره ها تعیین مرجعی برای ساخت تجهیزات نوری با توجه به مشخصه تضعیفی است که فیبر نوری بر سیگنالهای نوری با طول موجهای هر پنجره ایجاد می کند.

شکل5: پنجره های طول موج در ارتباطات نوری

در دهه 1970 منابع و آشکارسازهای نوری موجود در طول موج 850 نانومتر کار می کردند. از آنجایی که فیبرهای تک مدی تا سال 1983 در دسترس نبودند، سیستم‌های اولیه همگی از فیبر نوری چند مدی و دیودهای ساطع نور (LED) به عنوان منبع نوری استفاده می‌کردند که پهنای طیفی گسیل گسترده‌ 100 نانومتر (nm) یا بیشتر داشتند.بنابراین 850 نانومتر طول موج مرکزی طیف 800-900 نانومتربه عنوان اولین پنجره ارتباطات فیبر نوری تعیین شد.تحقیقات بیشتر در مورد فیبرهای نوری نشان داد که در محدوده هایی اثرات جذب و پراکندگی فیبر نوری (عوامل تضعیف در فیبر نوری) با افزایش طول موج کاهش می یابد.

به طوری که در طیف دیگری که در محدوده 1300 نانومتر قرار دارد، تضعیف فیبرهای چند مدی به 1.5 دسی بل در کیلومتر کاهش می یابد که منجر به صرفه جویی در هزینه به دلیل حذف تجهیزات بازساز یا تکرارکننده های پرهزینه می شود. توسعه آشکارسازهای نوری جدید با کارایی بالا و LEDها همراه با توسعه دیودهای لیزر حالت جامد جدید در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980، اجزای نوری ضروری مورد نیاز را فراهم کرد.

در این زمان بود که “پنجره” 1300 نانومتری به عنوان دومین پنجره برای تعیین یک منطقه طیفی 1250 نانومتر تا 1350 نانومتر تعریف شد. استفاده از فرستنده های لیزری با طول موج مرکزی 1308.1 نانومتر هزینه ها و تعداد تقویت کننده ها را کاهش داد. گرد کردن این عدد به 1310 نانومتر نتیجه ای بود که امروزه برای فراخوانی سیستم های فیبر نوری تک مدی پنجره دوم از اصطلاح پنجره 1310 نانومتر و برای فیبرهای نوری چند مدی پنجره دوم از اصطلاح پنجره 1300 نانومتر استفاده می شود. سومین پنجره در اواسط دهه 1980 با طول موج مرکزی 1550 نانومتر و تضعیف کمتر از0.5 دسی بل در کیلومتر معرفی گردید.

ین پنجره همراه با توسعه منابع لیزری نوع DFB و تقویت کننده فیبر نوری EDFA، امکان پراکندگی نوری کمتر و توسعه سیستم‌های با سرعت بالا و مالتی پلکس با روش تقسیم طول موج متراکم (DWDM) را فراهم نمود.

WDMدرشت (CWDM):

مالتی پلکس به روش تقسیم طول موج درشت (CWDM)، بر خلاف DWDM از افزایش فاصله کانال استفاده می کند تا طرح های فرستنده گیرنده کمتر پیچیده و در نتیجه ارزان تر را فراهم کند. در CWDM برای ارائه 18 کانال روی یک فیبر نوری، از کل باند فرکانسی که پنجره‌های انتقال دوم و سوم و فرکانس‌های بحرانی که ممکن است در آنها پراکندگی OH رخ دهد، استفاده می‌شود. لذا اگر قرار باشد از طول موج بین پنجره های انتقال دوم و سوم مربوط به فرکانس بحرانی مذکوراستفاده شود، فیبرهای نوری OH-free silica توصیه می شود. با فیبرهای OS2 که طبق استاندارد ITU-T G652.D ساخته شده اند ، مشکل طول موج ناحیه پیک آب که تضعیف در آنجا زیاد است برطرف می شود و می توان از تمام 18 کانال ممکن استفاده کرد. در اصل، اصطلاح مالتی پلکس تقسیم طول موج درشت (CWDM) نسبتاً عمومی بود و تعدادی از پیکربندی‌های کانال مختلف را توصیف می‌کرد. از سال 2000، مقالاتی ظاهر شدند که فناوری‌ها و استانداردهای CWDM را برای برنامه‌های شهری با فاصله فیلترینگ 20-25 نانومتری و لیزرهای DFB “خنک نشده” تبلیغ می‌کردند.

شناسایی نیاز به CWDM کم هزینه توسط شرکتهای مخابراتی و اتحادیه بین المللی مخابرات (ITU) و تفاوت های تکنولوژی بین CWDM و DWDM منجر به دو استاندارد مجزا در مورد مجموعه های طیفی برای برنامه های کاربردی WDM شد:

1 : مجموعه های مرجع فرکانس برایDWDM در June 2002
ITU-T G.694.2: مجموعه مرجع طول موج برای CWDM در December 2003

باندهای طول موجی در ارتباطات نوری عبارتند:

Original band /O-Band: 1260nm-1360nm
Extended band/E-Band: 1360nm-1460nm
Short band/S-Band:1460nm-1530nm
Conventional band/C-Band:1530nm-1565nm
Long band/L-Band:1565nm-1625nm
Ultra-Long band/ UL-Band:1625nm-1675nm

شکل 6 نگاشت مجموعه مرجع 18طول موجی CWDM را از 1270 نانومتر تا 1610 نانومتر مطابق استاندارد ITU-T G.694.2 در باندهای O، E، S، C و L نشان می دهد. در این یک شکل منحنی میرایی معمولی برای انتشار در فیبر نوری ساخته شده طبق استاندارد ITU-T G.652 نیز نشان داده شده است.

شکل6: نمودارمجموعه طول موجهای CWDM مطابق استاندارد ITU-T G.694.2 برای انتشار در فیبر نوری G.652

فناوری‌های CWDM شهری شامل فیلترهای نوری و لیزرهای خنک نشده با فاصله 20 نانومتر است.در شکل 6 نگاشت طول موج‌های CWDM بر روی منحنی تضعیف فیبر نوری وضوح بیشتر و برجسته کردن تلفات بالاتری که برخی از طول‌موج‌ها (مثلاً در باند E) برای این نوع فیبر ایجاد می‌کنند، نشان داده شده است.

اصلاحیه استاندارد ITU G.694.2 مراکز کانال را 1 نانومتر جابجا کرد. بنابراین به طور دقیق، طول موج های مرکزی 1271 تا 1611 نانومتر هستند. بسیاری از طول موج‌های CWDM زیر 1470 نانومتربه دلیل افزایش تضعیف در باندهای 1470-1270 نانومتر، در فیبرهای قدیمی‌ غیرقابل استفاده در نظر گرفته می‌شوند. فیبرهای جدیدتر که مطابق با استانداردهای G.652.C و G.652.D هستند، مانند Corning SMF-28e ، تقریباً اوج تضعیف یا “اوج آب” را در طول موج 1383 نانومتر حذف می‌کنند و امکان کارکرد کامل 18 کانال CWDM در شبکه های شهری را فراهم می‌کنند.

سیگنال های مالتی پلکس شده تحت استاندارد CWDM برای تقویت توسط سیستم تقویت کننده های نوری EDFA دارای فاصله طول موجی مناسب نیستند. لذا تقویت نوری برای سیگنالهایی با طول موج های CWDM در دسترس نیست این موضوع ارتباطات نوری CWDM را به چند ده کیلومتر محدود می کند. به عنوان مثال کل گستره نوری CWDM برای سیگنال 2.5 گیگابیت بر ثانیه به حدود 60 کیلومتر محدود می شود که این فاصله برای استفاده در برنامه های شهری مناسب است.