زمان تخمینی مطالعه: 16 دقیقه 

معماری سیستم‌های فیبر نوری، معمولا بر اساس استانداردها و تکنولوژی‌های مختلفی طراحی می‌شود. در این مقاله برخی از معماری‌های رایج در سیستم‌های فیبر نوری را شرح می‌دهیم.

فیبر نوری چیست؟

فیبر نوری یک فناوری ارتباطی است که برای انتقال اطلاعات از طریق نور به جای امواج الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. این فناوری تفاوت‌های آشکاری با معماری مبتنی بر سیم‌های مسی دارد و برای انتقال داده‌ها از نور لیزری یا دیود نوری استفاده می‌کند. یک فیبر نوری متشکل از یک رشته بلوری نازک و بلوری است که به عنوان هسته (Core) شناخته می‌شود. هسته دارای شاخص شکست بالا در ارتباط با محیط خارجی بوده و باعث انعکاس نور درون خود می‌شود. در اطراف هسته، یک لایه حفاظتی با شاخص شکست کمتر که به عنوان پوسته (Cladding) شناخته می‌شود، قرار دارد. این پوسته باعث می‌شود نور در هسته فیبر باقی بماند و از فیبر خارج نشود. یکی از ویژگی‌های مهم فیبر نوری، نیروی تراکمی است که نشان‌دهنده قدرت فیبر در جذب و انتقال نور است. با استفاده از نیروی تراکمی بالا، فیبر نوری قادر است اطلاعات را در فواصل بلند با  سرعت بالا منتقل کند. از فیبر نوری در شبکه‌های ارتباطی، اینترنت، تلفن‌های همراه و تلویزیون‌های کابلی استفاده می‌شود. مزایای استفاده از فیبر نوری شامل سرعت بالا، پهنای باند زیاد، مقاومت الکتریکی، برد بلند، مقاومت در برابر تداخل الکترومغناطیسی و کاهش تلفات سیگنال در طول مسافت‌های بلند است. همچنین، فیبر نوری مقاومت بالایی در برابر نویز و تداخل دارد که آن را به یک راه حل مناسب برای ارتباطات طولانی مسافت می‌کند.

معماری‌های فیبر نوری

معماری نقطه به نقطه (Point-to-Point)

در این معماری، دو دستگاه با یکدیگر به صورت مستقیم و مستقل ارتباط برقرار می‌کنند. این معماری معمولا برای ارتباطات کوتاه مدت و ارتباط بین دو دستگاه در موقعیت‌های محدود استفاده می‌شود. به بیان دقیق‌تر، معماری پوینت به پوینت (Point-to-Point) یک نوع معماری شبکه است که در آن دو دستگاه به صورت مستقیم و مستقل ارتباط برقرار می‌کنند. در این معماری، یک دستگاه به عنوان فرستنده (Transmitter) و دستگاه دیگر به عنوان گیرنده (Receiver) عمل می‌کند. ارتباط بین این دو دستگاه با استفاده از کابل فیبر نوری برقرار می‌شود. در معماری پوینت به پوینت، هر دو دستگاه باید به صورت مستقل از سیستم‌ها و دستگاه‌های دیگر عمل کنند. این معماری به طور معمول برای برقراری ارتباطات کوتاه مدت و اتصال دو دستگاه در موقعیت‌های محدود استفاده می‌شود. معماری پوینت به پوینت به دلیل سادگی و کارایی آن در برخی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

به‌عنوان مثال، می‌توان از این معماری برای اتصال کامپیوتر به یک پرینتر، اتصال دو ساختمان در نزدیکی یکدیگر یا اتصال دو دستگاه شبکه در فاصله کم استفاده کرد. در معماری پوینت به پوینت، ارتباط بین دو دستگاه معمولا به صورت یک زنجیره از کابل فیبر نوری برقرار می‌شود. این کابل‌ها می‌توانند با طول‌ها و اتصالات مختلفی طراحی شوند، اما هدف اصلی این است که انتقال سریع و پایدار داده‌ها را بین دو دستگاه فراهم کند. معماری پوینت به پوینت به دلیل سادگی و کارآیی آن، در برخی از حوزه‌ها مانند شبکه‌های امنیتی، اتصالات فرعی شبکه‌ها، اتصالات جدید در حین ساخت و ساز، اتصالات موقتی و اتصالات محدود مورد استفاده قرار می‌گیرد.

معماری توزیع شده (Distributed Architecture)

در این معماری، سیستم توزیع شده از چندین سرویس‌دهنده و دستگاه مستقل تشکیل شده است که با یکدیگر ارتباط برقرار می‌کنند. این معماری برای برقراری ارتباطات پیچیده و ارسال حجم بالای داده‌ها مناسب است و معمولا در سیستم‌های ابری و مراکز داده استفاده می‌شود. معماری توزیع شده (Distributed Architecture) در شبکه‌های فیبر نوری به معنای استفاده از ساختاری است که تمامی عناصر شبکه از جمله تجهیزات فیبر نوری، سوییچ‌ها، روترها و سرویس‌ها را در سراسر شبکه به صورت توزیع شده قرار داده است. در این ساختار، عملکرد و وظایف شبکه بین چند نقطه توزیع شده می‌شود و هر نقطه به صورت مستقل عمل می‌کند. این معماری یکسری ویژگی‌ها و مزایای کلیدی در اختیار ما قرار می‌دهد. اولین مورد انعطاف‌پذیری است. معماری توزیع شده در فیبر نوری انعطاف‌پذیری بالایی ارائه می‌دهد. با استفاده از ساختار توزیع شده، می‌توان اجزای شبکه را به سادگی اضافه، حذف و تغییر داد و شبکه را با توجه به نیازها و تغییرات محیطی تنظیم کرد. قابلیت فوق به شبکه کارآمدی و قابلیت توسعه بیشتر را می‌دهد. مورد بعد قابلیت بالای مقیاس‌پذیری است. با استفاده از معماری توزیع شده، شبکه فیبر نوری قابلیت مقیاس‌پذیری بالایی به دست می‌آورد. با افزودن نقاط توزیع جدید و ارتباط آنها با سایر اجزای شبکه، می‌توان به راحتی ظرفیت و پهنای باند شبکه را افزایش داد و همچنین بار ترافیک را به صورت متوازن بین اجزای شبکه توزیع کرد. این امکان باعث می‌شود که شبکه قادر به پشتیبانی از ترافیک بالا و تعداد زیاد کاربران باشد.

علاوه بر اینف ایمنی و قابلیت اطمینان بالا را ارائه می‌کند. با توزیع عناصر شبکه در سراسر شبکه، در صورت بروز خرابی در یک نقطه، سایر نقاط توزیع شده همچنان به طور مستقل اجرا می‌شوند. این ویژگی باعث افزایش اعتماد می‌شود و از دست رفتن سرویس در صورت خرابی جلوگیری می‌کند. به دلیل استفاده از ساختار توزیع شده و امکان انتقال داده با سرعت بالا، کارایی شبکه پیدا می‌کند. این ساختار اجازه می‌دهد تا ترافیک شبکه به صورت بهینه و متوازن توزیع شود و بار ترافیک بین نقاط توزیع شده به خوبی تقسیم شود. این موضوع باعث کاهش تداخل در شبکه می‌شود و عملکرد بهینه را به همراه دارد.

با توزیع عناصر شبکه، احتمال دسترسی غیرمجاز به اطلاعات کاهش می‌یابد. علاوه بر این، با توزیع عناصر شبکه بین نقاط مختلف، در صورت حمله یا خرابی در یک نقطه، بقیه اجزا شبکه همچنان قادر به فعالیت خواهند بود و سرویس در دسترس قرار خواهد داشت. به طور خلاصه، معماری توزیع شده در فیبر نوری انعطاف‌پذیری، مقیاس‌پذیری، ایمنی، قابلیت اطمینان و کارایی بالایی در اختیار شبکه قرار می‌دهد. این ساختار مناسب برای شبکه‌هایی است که نیاز به عملکرد بالا، قابلیت توسعه و امنیت بالا دارند.

معماری نقطه به چند نقطه (Point-to-Multipoint)

معماری نقطه به چند نقطه (Point-to-Multipoint) یک معماری شبکه است که در آن یک نقطه (مبدا) با چندین نقطه (مقصد) در ارتباط خواهد بود. در این ساختار، ارتباط یک طرفه است و اطلاعات از نقطه مبدا به همه نقاط مقصد انتقال می‌یابد، در حالی که نقاط مقصد نمی‌توانند به صورت مستقیم با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. لازم به توضیح است که معماری نقطه به چند نقطه برای انتقال اطلاعات به صورت گروهی بین یک نقطه و چند نقطه کاربرد دارد. در حوزه فیبر نوری، معماری نقطه به چند نقطه یک روش ارتباطی است که در آن یک نقطه (مبدا) به چند نقطه (مقصد) در امتداد یک لینک فیبر نوری متصل می‌شود. در شبکه‌های فیبر نوری، معماری نقطه به چند نقطه برای انتقال داده‌ها در سطح گروهی بین یک نقطه مبدا (مانند یک سوییچ یا روتر) و چندین نقطه مقصد (مانند ایستگاه‌های مختلف یا ساختمان‌های متصل) استفاده می‌شود. در این معماری، نقطه مبدا اطلاعات را با استفاده از یک سیگنال نوری به صورت گسترده از طریق یک لینک فیبر نوری ارسال می‌کند. سیگنال نوری در لینک فیبر نوری منتشر می‌شود و تمام نقاط مقصد که به همان لینک متصل هستند، این سیگنال را دریافت می‌کنند. معماری نقطه به چند نقطه در فیبر نوری به عنوان یک راه حل مؤثر و کارآمد برای انتقال اطلاعات در فواصل بلند و با پهنای باند بالا شناخته می‌شود. این معماری یکسری مزایای شاخص دارد. اولین مورد پهنای باند بالا است. این معماری قابلیت انتقال داده‌ها با پهنای باند بالا را فراهم می‌کند که امکان انتقال حجم زیادی از اطلاعات را در یک زمان مشخص به تمام نقاط مقصد فراهم می‌کند. با استفاده از معماری نقطه به چند نقطه در فیبر نوری، ارسال اطلاعات به صورت گروهی به تمام نقاط مقصد امکان پذیر است که عملکرد و کارایی شبکه را بهبود می‌بخشد. معماری نقطه به چند نقطه در فیبر نوری انعطاف‌پذیری بالایی دارد و امکان افزودن و حذف نقاط مقصد را به صورت آسان فراهم می‌کند بدون آن‌که فرآیند فوق بر عملکرد مولفه‌های شبکه تاثیری داشته باشد. با استفاده از معماری نقطه به چند نقطه، تنها نقطه مبدا مسئول ارسال اطلاعات است و نقاط مقصد به صورت پسیو عمل می‌کنند. رویکرد فوق باعث کاهش هزینه‌های مدیریت و تجهیزات می‌شود.

معماری PON در شبکه فیبر نوری FTTH

معماری PON سرنام (Passive Optical Network) یکی از معماری‌های رایج و پر کاربرد در شبکه‌های فیبر نوری FTTH سرنام (Fiber to the Home) است. این معماری برای اتصال خطوط فیبری به منزل‌ها و مکان‌های مسکونی استفاده می‌شود و به دلیل هزینه کم، کارایی بالا و امکان انتقال داده‌ها با سرعت بالا، بسیار محبوب است. معماری PON شامل سه بخش اصلی است: مرکزی (Central Office)، شبکه توزیع (Distribution Network) و سرویس خدمات (Customer Premises). در این معماری، اطلاعات از هسته مرکزی به سرویس خدمات انتقال می‌یابند و برعکس. از دید کاربر، اتصال به شبکه PON از طریق یک ONT سرنام (Optical Network Terminal) صورت می‌گیرد که به شبکه توزیع متصل می‌شود.

در هسته مرکزی، تجهیزات مرکزی PON واقع شده‌اند که شامل تجهیزات مدیریت شبکه، تقسیم‌کننده‌های نوری (Optical Splitters) و تقویت‌کننده‌های نوری (Optical Amplifiers) است. تقسیم‌کننده‌های نوری مسئول تقسیم سیگنال نوری به چندین خط فیبری برای اتصال به سرویس‌های مختلف هستند. تقویت‌کننده‌های نوری نیز برای جبران تلفات سیگنال نوری در طول مسیر استفاده می‌شوند.

شبکه توزیع مسئول انتقال سیگنال نوری از هسته مرکزی به سرویس خدمات است. این شبکه معمولا از فیبر نوری گسترده استفاده می‌کند و به عنوان یک شبکه فیبری با توپولوژی درختی عمل می‌کند. در این شبکه، تقسیم‌کننده‌های نوری سیگنال را به خطوط فیبری مختلف تقسیم می‌کنند و از تقویت‌کننده‌های نوری برای جبران تلفات سیگنال استفاده می‌کنند. به علاوه، در شبکه توزیع ممکن است تجهیزات دیگری مانند تقویت‌کننده‌های رامان (Raman Amplifiers) نیز استفاده شود.

در سرویس خدمات، سیگنال نوری از شبکه توزیع به ONT در منزل کاربر منتقل می‌شود. ONT به دستگاه‌ها و تجهیزات مورد نیاز کاربر متصل می‌شود، مانند تلفن‌ها، رایانه‌ها، تلویزیون‌ها و دستگاه‌های دیگر. ONT دریافت، تقویت و تبدیل سیگنال نوری به سیگنال الکتریکی را انجام می‌دهد تا بتواند اطلاعات را به دستگاه‌های متصل شده ارسال کند.

معماری PON از لحاظ عملکرد به دو نوع تقسیم‌کننده‌ی نوری متمرکز (Centralized Optical Splitter) و تقسیم‌کننده‌ی نوری توزیع شده (Distributed Optical Splitter) تقسیم می‌شود. در تقسیم‌کننده‌ی نوری متمرکز، تمام سیگنال‌ها از بخش مرکزی به ONT‌ها از طریق یک تقسیم‌کننده‌ نوری متمرکز منتقل می‌شوند، اما در تقسیم‌کننده‌ نوری توزیع شده، تقسیم‌کننده‌های نوری در سراسر شبکه توزیع قرار دارند و سیگنال‌ها از طریق چند تقسیم‌کننده‌ نوری توزیع شده به ONT‌ها انتقال می‌یابند.

مزایای معماری PON 

معماری PON  سرنام (Passive Optical Network) در شبکه‌های فیبر نوری FTTH سرنام (Fiber to the Home) دارای مزایای گسترده‌ای است که برخی از آن‌ها به شرح زیر هستند.

هزینه کم: یکی از مزیت‌های بزرگ معماری PON، کاهش هزینه‌ها در ساخت و نگهداری شبکه است. در PON، از تقسیم‌کننده‌های نوری بدون نیاز به تغذیه برقی و تقویت‌کننده‌های نوری متمرکز استفاده می‌شود که هزینه کابل‌کشی و تجهیزات فعال را کاهش می‌دهد. این کاهش هزینه بهره‌وری را بیشتر کرده و کاربران را ترغیب می‌کند از فیبرنوری به عنوان راهکار اصلی اتصال به شبکه استفاده کنند.

انتقال داده‌ها با سرعت بالا: معماری PON قادر است با سرعت‌های بالا اطلاعات را منتقل کند. با استفاده از فیبر نوری و تقسیم‌کننده‌های نوری، می‌توان پهنای باند بالایی در اختیار کاربران قرار داد.  این امر به کاربران امکان استفاده از خدماتی همچون اینترنت سریع، تلفنی بر پایه‌ IP و تلویزیون با کیفیت بالا را می‌دهد.

قابلیت اطمینان بالا: در معماری PON، از تقسیم‌کننده‌های نوری بدون نیاز به منبع برق استفاده می‌شود و تجهیزات فعال در سرویس خدمات وجود ندارد. این امر منجر به کاهش احتمال خرابی و افزایش قابلیت اطمینان شبکه می‌شود. همچنین، در صورت بروز خرابی در یک بخش از شبکه، اثرات آن تنها بر آن بخش محدود می‌شود و سایر بخش‌ها تحت تاثیر نخواهند بود.

قابلیت ارتقا و گسترش: معماری PON قابلیت ارتقا و گسترش را دارد. با افزایش تقاضا برای سرویس‌های جدید و افزایش نیاز به پهنای باند، می‌توان شبکه را با اضافه کردن تقسیم‌کننده‌های نوری و تقویت‌کننده‌های نوری گسترش داد. این امر به ارائه سرویس‌های بهتر و افزایش ظرفیت شبکه اجازه می‌دهد.

انعطاف‌پذیری: از آنجایی که شبکه PON از تقسیم‌کننده‌های نوری استفاده می‌کند، امکان ارائه خدمات متنوعی مانند اینترنت، تلفن، تلویویزیون و سرویس‌های دیگر را فراهم می‌کند. علاوه بر این، معماری PON قادر به پشتیبانی از شبکه‌های چندسرویسی (multiservice) است که می‌تواند نیازهای مختلف کاربران را در یک شبکه مشترک تامین کند.

حفاظت از محیط زیست: استفاده از فیبر نوری در معماری PON منجر به کاهش مصرف انرژی می‌شود. عدم نیاز به تجهیزات فعال در شبکه و کاهش تلفات انرژی در انتقال اطلاعات، به حفظ محیط زیست کمک می‌کند و به عنوان یک راه حل پایدارتر در مقایسه با سایر روش‌های ارتباطی به نظر می‌رسد.

به طور خلاصه، معماری PON با کاهش هزینه، ارائه سرعت بالا، قابلیت اطمینان، امکان ارتقاء و گسترش، انعطاف‌پذیری و حفاظت از محیط زیست، به عنوان یک راه‌حل مناسب برای ارائه خدمات فیبر نوری به خانه‌ها و ساختمان‌ها شناخته می‌شود.

احیاکننده‌ها (Regenerator) در فیبر نوری

احیاکننده‌ها (Regenerators) در فیبر نوری، دستگاه‌هایی هستند که سیگنال‌های نوری که در طول مسیر از دست می‌دهند را تقویت و بازسازی کنند. این دستگاه‌ها برای افزایش برد و کاهش تلفات سیگنال در طول فاصله‌های بلند در شبکه‌های فیبر نوری استفاده می‌شوند.

در طول انتقال سیگنال نوری در فیبر نوری، به دلیل تلفات جذب و پخش سیگنال، قدرت سیگنال کاهش می‌یابد و در نقاط دورتر از منبع ارسال، سیگنال ضعیف می‌شود. این افت قدرت سیگنال می‌تواند باعث بروز اشکال در ارتباط شود و باعث از بین رفتن اطلاعات شود. برای رفع این مشکل، احیاکننده‌ها استفاده می‌شوند. احیاکننده‌ها به صورت مرتب در طول مسیر در فواصل مختلف در شبکه‌های فیبر نوری قرار داده می‌شوند. وظیفه اصلی آن‌ها، تقویت سیگنال نوری است تا قدرت سیگنال به حدی برسد که بتواند به درستی تشخیص داده شود و به مراحل بعدی انتقال برود. احیاکننده‌ها با دریافت سیگنال ضعیف و ناقص، آن را تقویت کرده و بازسازی می‌کنند تا به شکل اصلی خود برگردد.

احیاکننده‌ها از عناصری مانند تقویت‌کننده‌ها (Amplifiers) و بازتولیدکننده‌ها (Regenerators) تشکیل شده‌اند. تقویت‌کننده‌ها به منظور تقویت قدرت سیگنال استفاده می‌شوند و بازتولیدکننده‌ها توانایی بازسازی سیگنال را دارند. بازتولیدکننده‌ها به طور معمول از تکنولوژی‌هایی مانند تقویت کننده‌های اپتیکی و Dispersion compensators استفاده می‌کنند.

احیاکننده‌ها در شبکه‌های فیبر نوری برای افزایش برد، کاهش تلفات سیگنال، بهبود کیفیت ارتباط و افزایش سرعت انتقال در فواصل بلند استفاده می‌شوند. آن‌ها به عنوان نقاط تقویتی و بازسازی در مسیر ارتباطی قرار می‌گیرند تا اطمینان حاصل شود که سیگنال نوری کامل و قابل تشخیص به مقصد برسد.

بخوانید: زنجیره مارکوف و مدل پنهان آن چیست و چگونه کار می‌کند؟