بخشی از مقاله
چکیده
درزندگی امروزه تقاضای بسیار زیادی برای دسترسی به اینترنت پرسرعت، ویدئوهای درخواستی وجریانات پویا وجود داردکه نمی-تواند با تکنولوژی قدیمی و استفاده از رساناهای مسی برآورده گردد. آمدن فیبر نوری به هر خانه جواب مشخصی به چنین درخواستی از پهنای باند بالا است. این کار با توجه به حجم بالای اجرای فیبر نوری و هزینههای سرسامآور نصب و راهاندازی و نگهداری فیبر مقرون به صرفه نیست. یک راه برای تامین فیبر برای خانهها از طریق تکنولوژی شبکههای دسترسی نوری گیگابیت است. راه حل معقولتر اشتراکگذاری ظرفیت فیبر بین گروهی از مشترکین است. بدینوسیله سرویسدهنده هزینه تجهیزات و تسهیلات را میان تعداد زیادی از مشترکین سرشکن میکند و پهنای باند نیز به صورت کارا و انعطافپذیر استفاده شده و به صورت پویا اختصاص می-یابد.
شبکه نوری غیرفعال این راه حل را فراهم کرده است که یک شبکه نوری یک نقطه به چند نقطه است و به سرویسدهندگان اجازه میدهد یک فیبر نوری را بین چند خانه یا ساختمان به اشتراک بگذارند. استفاده حداکثر پهنای باند و انتقال اطلاعات شامل صوت و تصویر و دیتا در شبکههای دسترسی نوری با حداقل هزینه اجرای فیبر نوری با استفاده از تکنولوژی GPON به علت هزینه بالای اجرای فیبر نوری در شبکههای شهری و نیاز روزافزون جامعه به پهنای باند بالای فناوری اطلاعات این ضرورت به طور محسوس احساس میشود که با استفاده از تکنیکهای مدرن با کمترین هزینه و با سودآوری مناسب پاسخگوی نیازهای جدید باشیم.
اما در این تکنولوژی محدودیت توان هنگام افزایش تعداد مشترکان باعث میشود تا حداکثر تا فاصله 20 کیلومتری از مرکز مخابراتی را پوشش دهد. بنابراین جهت پوشش بیشتر مشترکان در فواصل بیشتر از 20 کیلومتر به سراغ تقویتکنندههای نوری می-رویم. دراین مقاله با استفاده از تقویتکنندههای نوری "EDFA" انتقال دیتا برای مسافتهای بالاتر از20 کیلومتر میسر گردیده تا محدوده بیشتری از مشترکین زیر پوشش قرارگیرند؛ سپس از این المانها برای طراحی سیستمی با پهنای باند بالا استفاده میشود.
-1 مقدمه
امروزه با توجه به این که نیاز به پهنای باند بالا برای مصارف مختلف وجود دارد باید از کابلهای مسی به سمت کابلهای نوری رفت. در هر خانه حداقل یک زوج سیم مسی موجود است که محدودیت زیادی برای پهنای باند دارند و از طرفی نمیتوان برای انتقال دیتا با پهنای باند زیاد از آنها استفاده کرد، لذا لازم است که از فیبرهای نوری برای این مصارف بهره گرفته شود. برای این منظور باید تارهای فیبر نوری از مراکز مخابراتی تا خانه مشترکین کشیده شود و از طرفی تعداد این تارها نباید زیاد باشد، زیرا از نظر هزینه مقرون به صرفه نخواهد بود. بنابراین باید یک تار فیبر از مرکز مخابراتی تا نزدیک مشترکین برده شده و از آنجا با استفاده از اسپلیترها و ترکیبکنندههای نوری به مشترکین متصل شود.
هر چه به تعداد اسپلیترها اضافه شود افت سیگنال در شبکه به شدت بالا میرود که منجر به محدودیت فاصله سرویسدهی فیبر نوری از مرکز مخابراتی به میزان بیست کیلومتر میشود؛ اما با استفاده از تقویتکنندههای نوری میتوان این فاصله را تا 150 کیلومتر بهبود بخشید که این مسئله در مقاله حاضر مورد بررسی قرار گرفته است. شبکه دسترسی غیرفعال نوری در اواخر دهه 1980 پیریزی شد. نقطه تمایز این شبکه با سایر شبکهها، حذف عناصر الکترونیکی در طرح محوطه بیرونی مراکز شبکه دسترسی است. به جای پایانه راه دور در سامانه DLC ، قطعه جداکننده نوری غیرفعال بکار برده میشود تا فیبرهای مجزائی برای کاربران نهائی در نظر گرفته شود. نسل دوم سامانههای شبکه غیرفعال نوری شامل شبکه دسترسی سرویس کامل - FSAN - 1 میشود.
تجهیزات FSAN شامل دسته-ای از معماریهای شبکه غیرفعال نوری است که از ATM2 به عنوان فناوری انتقال بهره میگیرند. تکنولوژیهای PON از اواسط دهه 90 میلادی در دسترس بودهاند، اما در چند سال اخیر استانداردهای تجاری آنها پیادهسازی شدهاند. از انواع این فناوری میتوان GPON وEPON را نام برد. در سال 1998 اتحادیه بین المللی مخابرات - ITU-T - 3 اولین استاندارد مربوط به شبکههای غیرفعال نوری به شماره G.983.1 با موضوع سیستمهای دسترسی نوری باند پهن را بر اساس "PON" به تصویب رساند. در این استاندارد ساختار شبکه دسترسی نوری با سه پروتکل FTTH ، FTTB و FTTC معرفی گردید. پس از آن در سال 2003 استاندارد G.983.2 مطرح گردید که در واقع مدیریت و کنترل شبکه BPON را مطرح میکرد.
در سال 2005 استاندارد G.983.3 با عنوان تخصیص طول موج یا WDM تصویب گردید که در آن سیستمهای PON باند پهن مطرح شدند که به اپراتورها اجازه میدهند سرویسهای جدید را ارائه نمایند. استانداردهای G.983.7 و G.983.5 و G.983.4 استانداردهای قبلی را تکمیل میکردند. در سال 2012 استاندارد G.984.1 شبکه نوری انعطافپذیر با نرخ ارسال بیت4 در حدود چندگیگابیت را مطرح کرد که به Gigabit capable PON معروف گردید.
همچنین در سال 2014 استاندارد G.984.3 مربوط به مشخصات لایه همگرایی انتقال تنظیم گردید. این سند مشخصاتی را برای همگرایی ارسال در "GPON" تحت عنوان "GTC5" پوشش میدهد که شامل قالب، پیغام، متد تنظیم، عمکرد، مدیریت، عاملیت نگهداری و امنیت این نوع شبکه-های "GPON" می باشد. "GPON" در میان "PON" ها بیشترین پشتیبانی را در جهت ایجاد یک شبکه همگن دارد. مهمترین فایده آن، این است که قادر است تا از هر سرویس پشتیبانی نماید، صرفنظر از این که آن سرویس بصورت بستهای یا مداری باشد.
در سال 1995 ارائه دهندگان خدمات مخابراتی عمده وفروشندگان سیستمهای مخابراتی، کارگروهی را به نام FSAN6 ایجاد نمودند. مقاله حاضر به این صورت ساختار یافته است؛ در بخش 2 یک آشنایی کلی با تکنولوژی GPON ایجاد گردیده است. بخش 3 به شبیهسازی شبکه دسترسی نوری اختصاص یافته است و هسته اصلی مقاله را تشکیل میدهد. نهایتا نتایج حاصل از کار در بخش 4 خلاصه گردیده است.
-2 ساختار شبکه نوری غیرفعال گیگابیت
هسته اصلی در این مقاله بر ساختار شبکه نوری گیگابیت غیرفعال است. شکل 1 نمایی کلی از چنین شبکهای را نشان میدهد. تجهیزات انتقال فعال در شبکه GPON شامل OLT و ONU است. همانگونه که در شکل دیده میشود با شروع از مرکز تلفن، تنها یک رشته تک مدی فیبر به سمت یک جداکننده نوری نزدیک موقعیت مشترک کشیده میشود که در این مکان یک جداکننده 1:N به سادگی میتواند توان نوری ورودی را به N مسیر جدا به سمت مشترکین تفکیک کند. لازم به توجه است که تعداد مسیرهای منفک شده بصورت توانهایی از 2 هستند. از جداکننده رشتههای فیبر تکمدی تا هر کاربر کشیده میشوند. با تکنولوژی حاضر طول مسیر ممکن از مرکز تلفن تا هر کاربر حداکثر 20 کیلومتر میباشد.
محدوده طول موج عملیاتی در جهت پاییندست در محدوده 1480 تا1500 نانومتر و برای بالادست در بازه 1260 تا 1360 نانومتر قابل تعریف است. همچنین برای توزیع سیگنال ویدئویی RF محدوده طول موج 1550 تا 1560 نانومتر در پاییندست قابل استفاده است. بجز تضعیف، دو پارامتر دیگر شامل قدرت انتقالدهنده و حساسیت گیرنده درطراحی شبکههای دسترسی نوری نقش مهمی ایفا میکنند. برای سنجش بدترین حالت، اختلاف بین حداقل حساسیت گیرنده و حداقل قدرت فرستنده از یکدیگر محاسبه شده و بر این اساس مقادیر تضعیف نهایی در شبکه محاسبه میشود. حداکثر بودجه توان از این رابطه بدست میآید،
اجزای این رابطه فاصله انتقال بر حسب کیلومتر - L - ، افت در جداکننده بر حسب دسی بل - SL - و افت در کابل نوری بر حسب دسیبل بر متر - FCA - هستند. همچنین جریمهها شامل سایر اتلافهای ممکن مانند تضعیف در اتصالدهندهها و اتصالات است. تضعیف معمول در یک فیبر تک مد3 در حدود 0.4dB/m میباشد. به عنوان یک جمعبندی کلی، GPON قابلیت پشتیبانی از چندین نرخ انتقال در مسیرهای بالادست و پاییندست را دارد.
همچنین سیستمهای قدیمی ATM و بر پایه بسته1 میتوانند با این ساختار شبکه کار کنند. این شیوه همچنین قابلیت انتقال اترنت پربازدهی دارد، به این صورت که بخشی از سربار اترنت در فرآیند کپسوله کردن استخراج میشود. قابلیت قطعهقطعهسازی بستههای انتقال که منجر به استفاده بهینه از محیط رسانه میشود از دیگر خصوصیات GPON است. همچنین پهنای باند مورد نیاز مشترکین مسکونی و یا بعضا تجاری کوچک یا نسبتا بزرگ با این سرویس قابل تامین است. ازنظر هزینه GPON به دلیل نیاز به تجهیزات فیزیکی گرانتر در بخشهای مختلف مسیر انتقال نمیتواند با EPON رقابت کند. سرویس GPON از تمام تکنولوژیهای PON پیچیدهتر است و به نوعی یک چالش برای نگهداری شبکه بوجود آورده است.
با این حال باید به این مسئله اشاره شود که هر چند هزینه تمام شده برای اجرا و نگهداری در تکنولوژی GPON از سایر تکنولوژی های این زمینه بیشتر است، اما درآمد حاصل از آن در زمان بهرهدهی بالاتر بوده و بهرهوری بهتری دارد. در نهایت باید به این موضوع اشاره شود که تکنولوژی GPON در میان PONها بیشترین پشتیبانی را در جهت ایجاد یک شبکه همگن دارد؛ به این صورت که شبکه مذکور قادر است تا از سرویسهای گوناگون، صرفنظر از اینکه آن سرویس بصورت بستهای یا مداری باشد پشتیبانی کند .[1-7] به طور کلی منظور از همگرایی این است که تکنولوژی GPON قابلیت کار با سرویس-های قدیمیتر مخابراتی که عمدتا بر پایه TDM و IP هستند را نیز دارا است و از آنها پشتیبانی میکند.
-3 شبیهسازی شبکه نوری غیرفعال با تقویت-کننده
پس از معرفی موضوع و آشنایی با مفاهیم واساس کار تکنولوژی GPON در بخش قبل، طراحی و شبیهسازی سیستم صورت گرفته است. طراحی مدارات در مسیر پاییندست با استفاده از فیبر تکمدی با فرکانس مرجع 1550 نانومتر وتضعیف 0.2dB/km و نیز جداکنندههای 1:32 انجام شده است. در قسمت فرستندگی، خروجی مدار تولید بیت تصادفی به مدار تولید پالس NRZ وارد شده و سپس با خروجی CW Laser با طول موج 1490 نانومتر توسط یک مدولاتور ماخ زندر مدوله میشود.
با انتخاب فواصل مختلف فیبر در گیرنده، نتایج بررسی شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. مدار گیرندگی شامل فیلترهای نوری میانگذر با طول موج 1490 نانومتر و آشکارساز APD است. در هر مرحله با استفاده از تحلیلگر نرخ خطای بیت2 مقادیر ضریب کیفیت3 و نرخ خطای بیت حداقل4 اندازهگیری شده و با یکدیگر مقایسه میشوند. همچنین در بخشهای مختلف مدارات شبیهسازی شده، توان نوری توسط ابزار سنجش توان نوری5 اندازهگیری شده و مقایسه میگردند. در انتها با استفاده از یک ترکیبکننده نوری 1:2، دو سیگنال نوری با طول موجهای 1490 و1550 نانومتر مدوله شده و توسط جداکننده نوری 1:32 سرویسهای صوت-داده و ویدئو به ONU ها ارسال میشوند. سپس مقادیر اندازهگیری شده هر دو طول موج با یکدیگر مقایسه میشوند. کلیه مدارات با استفاده از نرمافزار OptiSystem 7.0 شبیهسازی شدهاند.
-1-3 طراحی GPON با جداکننده نوری 1:32
شکل 2 مدار شبیهسازی شده یک شبکه GPON را با استفاده از یک جداکننده نوری1:32 نشان میدهد. این طراحی با استفاده از یک OLT، جداکننده نوری1:32 و 32 عدد ONU به منزله 32 مشترک صورت گرفته است. با توجه به تضعیف، طول مسیر بیش از 40 کیلومتر مجاز نمیباشد. دراین شبیهسازی طول فیبر نوری تا 40 کیلومتر تغییر داده شده و تغییرات رفتار سیگنال نوری توسط دستگاههای اندازهگیری نظیر optical power meter وBER analyzer مشاهده گردیده است.
در شکل 3 برای کنترل قدرت سیگنال، سه نقطه اندازهگیری در نظر گرفته شده است. نقطه قبل از جداکننده نوری با A و بعد از جداکننده نوری با B و نقطه بعد از فیلتر نوری با C مشخص میشود. در نقطه C که همان مقدار گیرندگی در ONU می-باشد مقدار توان از -22.3dB تا -29.3dB بین فواصل 5 تا 40 کیلومتر کاهش مییابد. بنابراین با توجه به حساسیت گیرندگی به میزان -28dB این طراحی برای فواصل بیش از 30 کیلومتر قابل اجرا نمیباشد.
