بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی شبکه DWDM با پیکر بندی مش با در نظر گرفتن ملاحضات شبکه نوری با نرخ بیت 40Gbps
چکیده
ضرورت فراهم کردن ظرفیت بالا در خطوط انتقال به منظور تامین نیازهای مخابراتی در آینده همراه با ویژگیهای مطلوب تکنولوژی مالتی پلکس تقسیم طول موج سبب شده است که این سیستمها به عنوان انتخابی مناسب برای زیر ساخت شبکههای مخابراتی مطرح شده و به طور وسیعی در ارتباطات راه دور و شهری بکار گرفته شوند. در این تحقیق طراحی و شبیهسازی لینک نوری DWDM، 16 کاناله که در آن نرخ بیت هر کانال 40Gbps و هر کانال با برد 100 کیلومتر میباشد ارائه گردیده است. شبیهسازی با در نظر گرفتن پاشندگی مد پلاریزاسیون انجام میشود. بهینهسازی لینک برای داشتن بهترین BER و ضریب Q ارائه میشود. در نهایت با طراحی ساختار مش و با تغییر پاشندگی در ساختار مش، خروجی مورد نظر بهبود مییابد. نتایج شبیهسازی با استفاده از نرمافزار شبیهساز سیستمهای نوری OptiSystem ارائه میشود.
واژگان کلیدی: لینک نوری DWDM، نرخ خطای بیت، پاشندگی، مدولاسیون
1
-1 مقدمه
DWDM تکنیکی است که قابلیت حمل اطلاعات شبکههای اپتیکال را با انتقال کانالهای چندگانه در طول موجهای روی یک لایه فیبری واحد افزایش میدهد. شبکههای اپتیکال بر پایهی DWDM یکپارچهسازی سرویسهای چند رسانه-ای گوناگون را به عهده دارند. کانالهای اضافی و میزان بیشتر دادهها منجر به افزایش چند برابر پهنای باند شبکه میشوند. هر چند نسخههای مختلفی با افزایش میزان دادهها در هر کانال و تعداد کانال به وجود میآیند. تأثیرات غیر خطی در فیبر، نویز آمپلی فایر اپتیکال اربیوم- دوپ شده، پراکندگی رنگی و تنگناهای پردازشی محدودیتهای عمده هستند( Susanti .(et al , 2009
روش DWDM در اوایل دهه 1990 مطرح شد تا از فیبر برای انتقال اطلاعات در فواصل دور و شبکههای گسترده بهره گرفته شود. در روش DWDM فاصله بین کانالها که برای ارسال اطلاعات استفاده میشود، 0/4 نانومتر است و هر کانال پهنای باندی تا 10گیگابیت در ثانیه را برای کاربران فراهم میآورد. این روش در باند C و L به کار میرود و بین 32 تا 160 کانال ایجاد میشود که با این تعداد کانال، به پهنای باند 100-1600 گیگابیت در ثانیه میتوان دست یافت(علی پور اسلامی و هاشمی، .(1391 اما لازم به ذکر است که این روش فقط برای ارسال اطلاعات برای فواصل دور مناسب است، زیرا تجهیزات جانبی این روش مانند نوع فیبر، لیزر، تکرارکنندهها و ... از خصوصیاتی برخوردار هستند که میزان هزینه را به شدت افزایش میدهند، به طوری که قیمت تمام شده برای هر کانال، فقط برای ارسال اطلاعات به فواصل دور و شبکههای WAN به صرفه خواهد بود. اگر بخواهیم این روش را در مناطق شهری و شبکههای متروپولیتن1 و LAN به کار ببریم، هزینه تمام شده برای هر کاربر بسیار زیاد خواهد بود و به تبع آن تقاضای استفاده از آن نیز کاهش مییابد. این مشکلی بود که در اواخر دهه 1990 و سال 2000 بسیاری از شرکتهای ارایه دهنده خدمات با آن روبرو بودند(Yan .(et al , 2009
-2 شبکه مش یا توری
اختلال در شبکههای ارتباطی باعث مشکلات خدماتی عمدهای میشود که به طور یکسان بر صاحبان کسب و کار دولتها و مصرفکنندگان تأثیر میگذارد. پایداری زیر ساخت با کیفیت خدماتی مداوم نیاز اصلی طراحی و توسعهی شبکهی نوری است. ساخت شبکههای پایدار در کاهش اختلال امری حیات است. در حال حاضر شبکههای نوری مش توپولوژی انتخابی هستند همان طور که در مقایسه با شبکههای حلقهای از منابع کمی استفاده میکنند در حالی که هنوز رشد تقاضا را برآورده میسازند. انواع متدهای حفاظت و بازسازی در شبکههای انتقالی نوری موجود هستند و شامل تعویض حفاظتی اتوماتیک، طول اختصاصی و حفاظت مسیر میباشند. این طرحها در پیچیدگی، ظرفیت استفاده اضافی و سرعت بازسازی متفاوت هستند که هر طرح مزایا و معایب متفاوتی را ارائه میدهد. راهاندازی این طرحها در توپولوژی منطقی یک شبکه وابسته به ساختار شبکهای و ظرفیت موجود توپولوژی فیزیکی است(.(Yan et al, 2009
شبکه توری به شبکهای اطلاق میشود که هر گره شبکه، خود بصورت یک مسیریاب مستقل عمل مینماید، بدون توجه به اینکه به شبکهای دیگر متصل است یا خیر. اگر بخشی از شبکه بطور مستقیم از یک گره قابل دسترس نباشد، این
2
شبکه از تمام مسیرهای دیگر تلاش مینماید تا به گره مورد نظر مسیری را بیابد . شبکهای که تمام گرههیا آن مستقیماً به یکدیگر متصلباشند،می اصطلاحاً شبکه کاملاً متصل نامیده میشود. توپولوژی مش در شکل1 نشان داده شده است.
شکل-1 توپولوژی مش .(Yan et al, 2009)
شبکههای توری قادر به بازسازی هستند. در شبکههای توری اگر یکی از گرهها شکسته شود و یا مسیرهای ارتباطی دچار اختلال شوند، بدلیل وجود مسیریابها و مسیرهای دیگر امکان ارتباط با سایر بخشهای سالم شبکه وجود خواهد داشت. این نوع شبکهها خیلی قابل اعتماد هستند زیرا اغلب بیش از یک مسیر از یک گره تا گره دیگر وجود دارد. این نوع توپولوژی اغلب در سناریوهای شبکه بیسیم مورد استفاده قرار میگیرد، هرچند از آن میتوان در شبکههای سیمی نیز استفاده نمود.
-3 مدولاسیون شدت
نسل اول سیستمهای انتقال نوری دیجیتال بر اساس مدولاسیون دامنه و یا اصطلاحا مدولاسیون شدت است که با روشن و خاموش کردن دیود لیزر، دیتای "1" و "0" دیجیتالی را به پالسهای روشن خاموش تبدیل میکند. سادگی در ارسال، دریافت و تشخیص این نوع مدولاسیون باعث شد که به طور گسترده در ارتباطات نوری بکار رود. در این روش شدت موج حامل بر اساس سیگنال پیام (سیگنال مدوله کننده) تغییر میکند به عنوان مثال در فرمت ASK که در حال حاضر متداول ترین روش میباشد قطع و وصل شعاع نوری نمایشگر بیتهای صفر و یک میباشد یعنی از سطح ماکزیمم شدت نور به عنوان بیت یک و از سطح مینیمم به عنوان بیت صفر استفاده میشود. در روش ASK کدینگ اطلاعات به چند فرمت انجام میپذیرد:
-1-3 فرمت NRZ
در این روش که متداولترین فرمت کدینگ در مدولاسیون نوری است برای بیتهای یک متوالی هیچ بازگشتی به سطح حداقل شدت یا بیت صفر نداریم و برای همین Non Return to Zero نامیده میشود(.(Tanaka et al, 2010
-2-3 فرمت RZ
در این روش در مورد بیتهای یکسان متوالی، برگشتی به سطح متناظر در نظر گرفته میشود که بسته به نحوه اعمال
3
این برگشت کدینگها به انواع مختلفی تقسیم میشوند(.(Tanaka et al, 2010
با ارسال همزمان چند طول موج بر روی یک فیبر (همتافتگری)، که با ارائه سیستمهای WDM امکانپذیر شد، ظرفیت انتقال اطلاعات با ضریب تعداد کانالهای WDM افزایش یافت. از اینرو برای مدتی، افزایش ظرفیت انتقال با روش افزایش سرعت مدولاسیون دیگر مورد توجه قرار نگرفت. تصور اولیه این بود که با روش WDM بتوان تعداد زیادی کانالهای نوری با نرخ بیتهای بالایی را در فیبر ارسال کرد و به ظرفیت انتقال بسیار بالایی در یک فیبر نوری رسید و لیکن محدودیت فاصله بین کانالی سیستمهای WDM چالش جدیدی برای افزایش تعداد کانالها را ایجاد کرد. بر طبق رابطه
که در آن LW پهنای طیف سیگنال مدوله شده است، این حقیقت آشکار میشود که در مدولاسیون به روش NRZ پهنای طیف سیگنال مدوله شده دو برابر نرخ بیت انتقال خواهد بود. به عبارت دیگر پهنای طیف کانال وابسته به سرعت مدولاسیون همان کانال است. به این اثر پهن شدگی طیفی سیگنال در اثر مدولاسیون نیز نامیده میشود. اثر این پدیده در شکل2 برای دو سیگنال با مدولاسیون شدت 10 Gbps و 40 Gbps نشان داده شده است.
شکل-2 اثر مدولاسیون شدت بر پهنای طیف دو سیگنال 10 Gbps و )40 Gbpsعلی پور اسلامی و هاشمی، .(1391
بر این اساس برای سیستمهای 40Gbps با مدولاسیون به روش NRZ پهنای طیفی هر کانال به 80GHZ میرسد و امکان افزایش تعداد کانالها با تغییر فاصله بین کانالی از 100 GHZ به 50 GHZ ممکن نیست. از سوی دیگر بالا بردن نرخ بیت هر کانال محدودیت در اثر پاشندگی رنگی و مد پلاریزه را به ترتیب 16 و 4 برابر تشدید میکند. همچنین
4
عوامل غیر خطی فیبر نیز انتقال به مسافت طولانی با نرخ بیتهای زیاد را دچار مشکل میکند. استفاده از مدولاسیون RZ باعث بهبود بودجه توانی در حد چند dB شد، ولیکن تفاوت محسوسی در برابر محدودیتهای ذکر شده نداشت. بنابراین، محدودیتهای ذکر شده باعث شد که حداکثر نرخ بیت در سیستمهای با مدولاسیون شدت در حد 10Gbps محدود شود. برآیند این محدودیتها محققین را به سمت بالا بردن نرخ بیت انتقال با استفاده از روشهای مناسبتری سوق داد(علی پور اسلامی و هاشمی، .(1391
-4 نرخ خطای بیت((1BER
نرخ خطای بیت در سیستمهای دیجیتال نشانگر کیفیت آشکارسازی است. به طور مثال منطق 1 به صورت منطق صفر آشکار شود و یا برعکس، که برابر است با نسبت تعداد بیتهای خطا به بیتهای صحیح و به صورت 10 به توان عدد منفی بیان میشود. به طور مثال 10-6 یعنی از 1000000 بیت یکی خطاست(.(Dong, 2005
BER = (NENT)
نمودار چشمی برای آنالیز سیستمهای ارتباطی با سرعت بالا استفاده میشود. یک معیار معمولی مورد استفاده برای آنالیز عملکرد سیستم ارتباطی، BER است که در گیرنده اندازهگیری میشود. با این حال BER ذاتا یا مورد قبول است یا رد میشود و بیشتر از این چیزی را منتقل نمیکند. این امر میتواند جالب توجه باشد، به عنوان مثال، بدانید که چقدر در گیرنده حاشیه زمان مجاز است (یا در دسترس است) و یا سیگنال چه مقدار نویز میتواند قبل از یک افزایش قابل توجه در BER تحمل کند. از این رو، از نمودار چشمی به عنوان یک روش تست اضافی برای تجزیه و تحلیل بیشتر رفتار سیستم استفاده میشود. پس از ساخت یک نمودار چشمی، ما میتوانیم، در یک نگاه در دامنه کلی سیگنال، سیگنالی را که منحرف شده است و یا زمان Jitter (اندازه انحراف یک سیگنال از موقعیت زمان ایده آل آن) موجود در آن را ببینیم. بنابراین میتوان تخمین زد چه مقدار نویز مجاز است (با استفاده از حاشیه نویز قابل قبول) و همچنین چه مقدار زمان Jitter میتواند مجاز باشد. اندازه BER بستگی به مشخصههای منبع لیزر و مسیر انتقال دارد(.(Shafik et al, 2006
-5 پاشندگی
وقتی پهنای باند کلی معلوم باشد، صدمه پاشندگی را میتوان برای یک نرخ داده ارائه شده محاسبه کرد. فیبر تک مود دستخوش پاشندگی نامی نمیشود. مدلهای مفصلتر صدمه ناشی از پاشندگی پیشنهاد شدهاند که جزئیات طراحی مدارهای گیرنده و برابرکننده و شمول تأثیرات طیف دیود لیزری، شکلبندی پالس، نسبت نابودی فرستنده، و آمار جریان داده را توصیف میکنند. با نگه داشتن رقابت نزدیک میان طولموجهای عملیاتی و پاشندگی صفر، این صدمه را میتوان تا مقاومت 0/5-1 دسی بل در اکثر موارد نگه داشت. ما پاشندگی رنگی را در فیبر تک مود به عنوان مشتق سرعت گروه نسبت به طولموج مدلسازی میکنیم، به صورت معادله:
که D پاشندگی در ps/km.nm و طولموج مرکزی لیزر است. فیبر با طولموج پاشندگی صفر و شیب پاشندگی صفر S0 مشخص میشود. معمولاً، هر دو طولموج مرکزی و پاشندگی صفر در محدوده مقادیر مشخص میشوند. درنظر گرفتن مرزهای بالایی و پایینی را برای تعیین صدمه ناشی از پاشندگی بدترین مورد ضروری است. بزرگترین مقدار مطلق D در حدهای این ناحیه وجود دارد.
برای این منظور برای جبران پاشندگی فیبر تک مد با پاشندگی 17 ps/km.nm از جبران ساز 1DCF با پاشندگی منفی 85 ps/km.nm که 5 برابر پاشندگی فیبر تک مد میباشد در نظر گرفته شده است همچنین طول فیبرDCF، یک پنجم طول فیبر تک مد در نظر گرفته میشود. ولی از آنجایی که DCF تضعیف بیشتری دارد برای این منظور بعد از DCF از تقویتکننده 2EDFA استفاده شده است(.(Dong, 2005
-6 نرمافزار OptiSystem
نرمافزار OptiSystem ابزار جدیدی برای شبیهسازی سیستمهای مخابراتی نوری محسوب میشود به کمک این نرمافزار انواع اتصالات نوری در لایه فیزیکی شبکههای مخابراتی از دستگاههای پخش آنالوگ ویدئو گرفته تا زیر ساخت-های مخابراتی بین قارهای طراحی و شبیهسازی میشود. این نرمافزار بر اساس مدلسازی واقع گرایانه از دستگاههای مخابرات فیبر نوری عمل میکند. این نرمافزار از محیط شبیهسازی جدید و قدرتمندی بهره میبرد که اجزا و سیستمها در آن به صورت سلسه مراتبی تعریف شدهاند. از قابلیتهای این نرم افزار اضافه کردن اجزای جدید و سفارشی توسط کاربر میباشد. در این تحقیق از نرمافزار OptiSystem ورژن 12 برای شبیهسازی استفاده شده است.
