Wavelength Division Multiplexing
Powered By :
Mohammad Hajizadeh
مقدمه
توسعه کاربرد سیستمهای ارتباطی مورد نیاز دنیای امروز نظیر : اینترنت، ویدیو کنفرانس، تلویزیونهای کابلی، تلفنهای تصویری، ارتباطات دیجیتال، کاربردهای مالتی مدیا و … که
نیاز به انتقال حجم بالایی از اطلاعات را دارند، باعث افزایش سریع ترافیک شبکه های
مخابراتی دیتا و تلفن شده و توسعه ظرفیت شبکه های انتقال را گریز ناپذیر کرده است .
در سیستم های ارتباط نوری به دنبال افزایش پهنای باند می باشیم ، که ساده ترین
و پرهزینه ترین راه حل اضافه کردن فیبر نوری جدید می باشد .
برای پاسخگویی به افزایش پهنای باند بدون اضافه کردن فیبر جدید، دو راه حل وجود دارد:
دستیابی به سیستمهای با نرخ بیت بالاتر بر روی کانالهای نوری موجود
(مالتی پلکس کردن به روش تقسیم زمانیTDM )
2. امکان انتقال همزمان چندین کانال نوری حاوی اطلاعات مختلف بر روی یک فیبر نوری
(مالتی پلکس کردن به روش تقسیم طول موج WDM)
Multiplexing
مالتی پلکسینگ عبارتست از ارسال همزمان چندین سیگنال یا رشته ای ازاطلاعات به طورهمزمان برروی موج حامل از یک مسیر(یا کانال)
Time Division Multiplexing مالتی پلکس تقسیم زمان
یک روش MUX دیجیتالی است که زمان استفاده از یک کانال
مشترک را بین چندین خط فرستنده به صورت مساوی تقسیم می کند .
TDM frames
Frequency Division Multiplexing مالتی پلکس تقسیم فرکانس
یک روش MUX به صورت آنالوگ است که در آن پهنای باند یک کانال
بر حسب هرتز به چندین پهنای باند کوچکتر تقسیم شده و هر پهنای
باند تقسیم شده در اختیار یک فرستنده قرار می گیرد .
Wavelength Division Multiplexing مالتی پلکس تقسیم طول موج
عبارت از کنارهم قراردادن طول موج های مختلف وارسال آنها درطول
یک رشته فیبرنوری می باشد این روش در تجهیزات نوری مورد استفاده
قرار می گیرد .
Wavelength Division Multiplexing مالتی پلکس تقسیم طول موج
تاریخچه تکامل WDM
تاریخچه فن آوری WDM به سال 1990 میلادی باز می گردد .
ابتدا از طول موجهای 1.3 µm و 1.55µm برای ارسال همزمان اطلاعات روی یک فیبر استفاده کردند.
سپس با پیدایش تقویت کننده های فیبر نوری برای ارسال اطلاعات در مسیر های طولانی تکنولوژی WDM به دلیل پهنای باند باریک این نوع تقویت کننده های نوری ، به اطراف طول موج 1.55µm سوق پیدا کرده است .
توسعه سیستم های WDM را می توان به سه نسل تقسیم بندی کرد :
نسل اول :
در این دوره تعداد کانال ها به 4 ، 8 ، 16 و 32 کانال رسیده ،
فاصله بین کانال ها 100GHz حدود 20mm و نرخ بیت هر کانال تا 2.5 Gbps ،
سیستم های با توپولوژی نقطه به نقطه و حداکثر فاصله انتقال با فیبر تک مد به 100Km رسیده .
نسل دوم :
در این دوره تعداد کانال ها به 32 ، 64 و 128 کانال رسیده ،
فاصله کانالها 100GHz و 50GHz کمتر از 0.8mm و نرخ بیت هر کانال تا 10Gbps ،
سیستم ها با توپولوژی نقطه به نقطه یا حلقه و حداکثر فاصله انتقال با فیبر تک مد به چند صد کیلومتر رسید.
نسل سوم :
در این دوره کنونی تعداد کانال ها به 128 ، 256 ، 400 و …
فاصله بین کانال ها 25GHz و 12.5GHz کمتر از 0.1mm و نرخ بیت هر کانال تا 10Gbps و 40Gbps رسیده ،
در این دوره جهت گیری به سمت شبکه های تماما نوری با حداقل نیاز به تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی در سوئیچ ها، روتر ها و در تکرار کننده های سیگنال است .
در این دوره انتقال مسافت طولانی و با قابلیت هوشمند افزودت / برداشتن طول موج میسر شده است .
اصول مالتی پلکس با تقسیم طول موج ( WDM )
انتقال همزمان پالسهای نوری ، منابعی با طول موج های متفاوت نظیر λn ،…،λ3 ،λ2 ،λ1 به درون یک فیبر اساس مالتی پلکس نوری یا WDM است .
طول موج های مختلف بعد از ترکیب توسط مالتی پلکس نوری و انتقال توسط فیبر و عبور از ادوات بین خط در انتهای مسیر توسط در مالتی پلکس نوری از یکدیگر تفکیک و سپس آشکار سازی می شوند .
کانال های مختلف ممکن است اطلاعات متفاوتی ( مثلا صوت ، دیتا ، تصویر و … ) در نرخ بیت های متفاوتی انتقال دهند .
در این روش عملگرد سیستم مستقل از نوع سیگنال ورودی ، نرخ بیت و قالب سیگنال است . در طی مسیر انتقال مسافت طولانی ، سیگنال های نوری λn ،…،λ3 ،λ2 ،λ1 نیاز به تقویت دارند ،
بدون اینکه نیاز به بازسازی الکتریکی سیگنال ها داشته باشیم می توان توسط واحد تقویت کننده نوری این عمل را انجام داد .
در این فناوری تامین کنندگان سرویس با تقسیم بندی و نگهداری طول موج های اختصاصی متفاوت برای مشتریان مختلف می توانند بجای اجاره یک فیبر ه یک طول موج را به مشتریان تجاری پر مصرف خود اجاره بدهند .
انواع سیستمهای WDM
سیستمهای WDM از نظر طول موج بکار گیری ، یک طرفه یا دو طرفه بودن ، تعداد کانالها و مسافت مورد استفاده به چندین دسته بندی تقسیم می شوند .
از نظر طول موج بکارگیری به دسته بندی های زیر تقسیم می شوند:
پنجره 850nm :
سیستم های اولیه فیبر نوری در دهه 1970 از این محدوده استفاده می کردند .
نرخ بیت در چنین سیستم هایی ده ها مگابیت بر ثانیه و منابع نوری عموما LED بوده است . تضعیف فیبر به 20dB/km رسیده .
امروزه در این محدوده عموما سیستم های مسافت کوتاه و ارزان قیمت مثل سیستم های
اترنت و شبکه های محلی و سازمانی بکار می روند.
پنجره 1310nm :
این محدوده طول موجی برای مصارف CWDM 8 کاناله و همچنین به همراه طول موج 1510nm برای سیستم های WDM دو کاناله کاربرد دارد .
افت فیبر در این محدوده در حدود0.5dB/ km است که اجازه مید هد اطلاعات تامسافت حدود 50 کیلومتر بدون تقویت ارسال شوند.
پنچره 1510nm :
در این محدوده سیستم های CWDM 8 کاناله و سیستم های DWDM با تعداد
کانال زیاد و مصارف انتقال مسافت طولانی استفاده می شود .
در این باند حداقل افت را داریم.
انواع سیستمهای WDMاز نظر تعداد کانال عبارتند از:
WDM
CWDM
DWDM
WDM
در تکنولوژی WDM مالتی پلکس تقسیم موج ، ظرفیت انتقال فیبر نوری دو برابر می شود که در این سیستم ها دو کانال نوری به هم ترکیب می شوند .
فاصله طول موج کانالها از یکدیگر زیاد است .
به طوری که یک کانال با طول موج 1310nm با کانال های دیگری با طول موجهای 1528 و 1560 nm ترکیب شده و بر روی فیبر ارسال می شوند.
در سمت ارسال دو کانال اطلاعاتی توسط واحد فرستنده نوری به دو طول موج نوری
1.3μm و 1.5μm تبدیل شده و ارسال می گردند و در گیرنده هم طبق همین طول
موج ها تفکیک می شوند .
انواع سیستم wdm از نظر جهت ارسال سیگنال نوری به دو دسته یکطرفه و دو طرفه تقسیم بندی می شوند .
سیستم WDM یکطرفه Uni – Direction
در این نوع سیستم مطابق شکل (28) 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.
سیستم WDM دوطرفه Bi-Direction
در این نوع از سیستم مطابق شکل ( 30 ) 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 نیازی به تقویت سیگنال نوری نیست، توصیه می شود.
Coarse WDM مالتی پلکس تقسیم طول موج زمخت
ظرفیت انتقال فیبر نوری چهار، هشت و یا شانزده برابر می شود.
در این سیستمها چندین کانال نوری با فاصله 20nm با هم ترکیب می شوند .
سیستمهای CWDM هشت کاناله در دو محدوده طول موجی
بین 1310nm-1450nm و 1470nm-1610nm با
فاصله طول موج 20nm قرار دارند.
برای استفاده از کل دو باند طول موج میتوان با ترکیب این دو دسته طول موج ظرفیت سیستمهای CWDM را حداکثر به 16 کانال رساند.
کاربردهای این تکنولوژی در سیستمهای انتقال بین شهری، مسافت کوتاه و اترنت می باشد.
از مزایای این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• سادگی ساخت
• قیمت ارزان
• عدم نیاز به لیزرهای با پهنای طیف باریک
• عدم نیاز به لیزرهای با پایداری طول موج بالا
و از معایب این روش می توان به موارد زیر اشاره کرد:
• افزایش پهنای باند در این سیستمها محدود است.
• امکان استفاده از یک تقویت کننده نوری برای کل طول موجهای نوری وجود ندارد.
• قابلیت توسعه ندارند.
Dense WDM تقسیم طول موج با چگالی زیاد
پیشرفته ترین روش مالتی پلکس طول موج است .
دارای ظرفیت انتقال بالاترو فواصل طول موج ها ازیکدیگرکمتراست .
ظرفیت انتقال فیبر با ترکیب طولهای موجهای مختلف در پنجره 1510nm ، چندین برابر افزایش می یابد و با استفاده از تقویت کننده های نوری فاصله انتقال طولانی را می پوشاند.
در این روش از طول موجهای پنجره 1310nm استفاده نمی شود، علت آن این است که تقویت کننده های نوری مرسوم تقویت کننده های EDFA هستند و این تقویت کننده های نوری فقط قادر به تقویت طول موجهای نوری در محدوده پنجره 1510nm
می باشند .
برای تقویت سیگنال در اثر افت فیبر در فواصل طولانی، به علت اینکه کلیه طول موجها در محدوده 1510nm هستند.
می توان توسط واحدهای تقویت کننده EDFA مستقیماً سیگنالهای نوری را تقویت کرد .
در غیر این صورت لازم بود ابتدا کانالهای نوری از یکدیگر مجزا شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل شوند و سپس تقویت الکتریکی روی تک تک کانالها صورت گیرد
و باز به سیگنال نوری تبدیل شده و در نهایت با ی کدیگر ترکیب شوند .
این فرایند بسیار پیچیده و پر هزینه است که با استفاده از تقویت کننده های EDFA در سیستمهای DWDM این نیاز مرتفع شده است .
چون ورودی سیستم DWDM عموماً تجهیزات SDH است، از اینرو طول موج ورودی به سیستم طول موج 1.3 μm است .
پس بایست در ابتدا طول موج 1.3 μm توسط واحدهای ترانسپوندر به طول موجهای مورد نظر در پنجره 1.5 μm تبدیل شو ند.
سپس توسط واحد مالتی پلکسر نوری کلیه طول موجها با هم ترکیب و بروی فیبر ارسال شوند.
سیستمهای DWDM به دو باند تقسیم می شوند : باند C و باند L هر باند در محدوده کاری خاصی استفاده می شود.
مطابق شکل محدوده طول موج هر یک از این باندها عبارتند از:
باند C آبی: طول موجهای 1529 nm الی 1536 nm
باند C قرمز: طول موجهای 1542 nm الی 1561 nm
باند L مادون قرمز : طول موجهای 1575 nm الی 1602 nm
توپولوژی های شبکه های WDM
بطور کلی شبکه های WDM دارای چند نوع توپولوژی هستند:
توپولوژی نقطه به نقطه(point- to- point)
توپولوژی حلقوی (mesh)
توپولوژی ستاره(star)
توپولوژی باس (Bus)
توپولوژی درختی(Tree)
توپولوژی شبکه گسترده (Wide Area Network)
توپولوژی شهری(Metropolitan Network)
شبکه WDM با توپولوژی نقطه به نقطه
در شبکه های WDM که دارای مسیرهای طولانی، سرعت های بالا ، پهنای باند بزرگ ، امنیت بالای سیگنال، ضریب اطمینان بالا و … دارند، بکار گرفته می شود.
شبکه های نقطه به نقطه ای که دارای OADM می باشند، قابلیت افزودن یا برداشتن یک طول موج را در طول مسیر فراهم می کنند.
تعداد کانالها، فاصله بین کانالها، نوع فیبر، روش مدولاسیون سیگنال و انتخاب نوع قطعات از جمله پارامترهای مهم در محاسبه بودجه طراحی می باشند.
شبکه WDM با توپولوژی حلقوی
کلیه نقاط شبکه به صورت حلقوی توسط فیبر به یکدیگر متصل شده اند .
یکی از گره های شبکه ایستگاه هاب است، که این واحد وظیفه تولید، مدیریت
و انتقال همه طول موجها را بعهده دارد .
هاب و هر ایستگاه از شبکه دارای بخش OADM برای افزودن و برداشتن
طول موج می باشد .
ارتباط شبکه فوق با شبکه های دیگر توسط واحد هاب صورت می گیرد.
شبکه WDM با توپولوژی ستاره
در توپولوژی ستاره هر ایستگاه از طریق دو مسیر فیبری به کوپلر ستاره متصل
می شود.
اطلاعات نوری ارسالی از چندین ایستگاه توسط واحد کوپلر ستاره ترکیب و با توان مساوی برای کلیه ایستگاههای گیرنده از طریق فیبر ارسال می شود .
توپولوژی ستاره در دو نوع فعال یا غیر فعال است.
شبکه WDM با توپولوژی باس
در توپولوژی باس تمامی ایستگاهها ی شبکه به یک باس دو طرفه یا دو باس
یکطرفه متصل هستند.
ارتباطات ایستگاهها با هم و با خارج از شبکه از طری ق همین باس مشترک
برقرار می شود.
شبکه WDM با توپولوژی درختی
این ساختار مجموعه ای از توپولوژی های دیگر است که در شبکه های خیلی بزرگ عمومیت دارد.
با از کار افتادن یک مرکز SC ارتباطات ایستگاههایی که به آن مرکز متصل هستند مختل خواهد شد.
از مزایای آن به قابلیت توسعه و اتصال مراکز مختلف به یکدیگر اشاره کرد.
شبکه WDM با توپولوژی شبکه های گسترده
نقاط دسترسی شامل فرستنده و گیرنده های قابل تنظیم هستند و نقا ط سویچ شامل سوئیچ های نوری، تقویت کننده های نوری و مبدلهای طول موج می باشند .
در این توپولوژی ارتباط مراکز توسط سوئیچها انجام می شود و در صورت آسیب
دیدن یک سوئیچ مدیریت سیستم می تواند مسیر دیگری را جای گزین کند.
شبکه WDM با توپولوژی شهری
ترکیب توپولوژی های مختلف و اتصال مراکز سویچ، استفاده کنندگان و منابع اطلاعاتی در یک شهر به یکدیگر تشکیل یک شبکه شهری را می دهد.
پارامترهای طراحی شبکه WDM
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 موج ها 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 کانال ها ) ، افزایش می یابد .
پهنای باند سیستم توسط پهنای باند تقویت کننده های نوری محدود می شود .
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 .
اجزای شبکه های WDM
محیط انتقال
مالتی پلکسر و دی مالتی پلکسر نوری
فرستنده نوری
تقویت کننده نوری
گیرنده نوری
روترهای غیر فعال
سوئیچ های فعال
مبدلهای طول موج
مالتی پلکسر با قابلیت حذف و اضافه
ترانسپوندر
فیلتر تخت کننده بهره
جبرانساز پاشندگی
ایزولاتورهای نوری
اینترلیور نوری
تضعیف کننده نوری