فناوری DWDM چیست؟ و اجزای و کاربرد آن چه می باشد

فناوری DWDM یک فناوری فرستنده گیرنده است که حدود 20 سال پیش توسعه یافته و کارایی ارتباطات از راه دور مبتنی بر فیبر نوری را بهبود بخشیده است. فناوری DWDM در واقع به طور چشمگیری پهنای باند (مقدار داده ای که می تواند منتقل شود) را در شبکه های فیبر نوری افزایش می دهد.

صنعت مخابرات از تکنیک های نوری که در آن موج حامل به دامین نوری کلاسیک تعلق دارد استفاده گسترده ای می کند. مدولاسیون موج این امکان را می دهد که انتقال سیگنال های آنالوگ یا دیجیتال تا چند گیگاهرتز (GHz) یا گیگابیت در ثانیه (Gbps) بر روی یک حامل با فرکانس بسیار بالا (معمولاً 186 تا 196 THz) انجام شود. در واقع، با استفاده از چندین موج حامل که بدون برهم‌کنش قابل توجه روی یک فیبر منتشر می‌شوند، می‌توان میزان بیت را افزایش داد. واضح است که هر فرکانس، مربوط به طول موج متفاوتی است.(DWDM) Dense Wavelength Division Multiplexing برای فاصله فرکانسی بسیار نزدیک در نظر گفته شده است. در این مقاله سعی شده تا فناوری DWDM و اجزای آن بطور کامل توضیح داده شود. همچنین نحوه عملکرد هر جزء به صورت جداگانه بیان می شود و کل ساختار سیستم DWDM در انتهای این مقاله مورد بررسی قرار خواهد گرفت.

معرفی فناوری DWDM

فناوری DWDM راهکار جدیدی برای شبکه های نوری است. دستگاه های DWDM (مالتی پلکسر یا به اختصار Mux) خروجی چندین فرستنده نوری را برای انتقال از طریق یک فیبر نوری ترکیب می کنند. در طرف گیرنده، یک دستگاه DWDM دیگر (دی مالتی پلکسر یا به اختصار Demux) سیگنال های نوری ترکیبی را جدا می کند و هر کانال را به یک گیرنده نوری ارسال می کند. فقط از یک فیبر نوری بین دستگاه های DWDM (در هر جهت انتقال) استفاده می شود. به جای استفاده از یک فیبر نوری برای هر جفت فرستنده و گیرنده، DWDM به چندین کانال نوری اجازه می دهد تا فقط از یک کابل فیبر نوری استفاده کنند. همچنین سیستم های DWDM دارای کانال هایی در طول موج های 0.4 نانومتر یا 0.8 نانومتر هستند.

مزیت کلیدی DWDM مستقل بودن پروتکل و بیت ریت آن است. شبکه های مبتنی بر DWDM می توانند داده ها را در IP، ATM، SONET، SDH و Ethernet انتقال دهند و قادرند انواع مختلفی از ترافیک را با سرعت‌های متفاوت در یک کانال نوری حمل کنند. انتقال صدا، ایمیل، ویدیو و داده های چند رسانه ای تنها نمونه هایی از سرویس هایی هستند که می توانند به طور همزمان در سیستم های DWDM منتقل شوند. سیستم‌های DWDM در طول موج‌های با فاصله 0.4 نانومتر یا 0.8 نانومتر فاصله دارند.

DWDM نوعی مالتی پلکسینگ تقسیم فرکانس (FDM) است. بطور معمول، امواج نوری با طول موج های مختلف ممکن است به طور مستقل در یک محیط وجود داشته باشند. از آنجایی که لیزرها قادر به ایجاد پالس های نوری با طول موج بسیار دقیقی هستند، هر طول موج نور می تواند مجرای متفاوتی از اطلاعات را نشان دهد که در این صورت با ترکیب پالس های نور و طول موج های مختلف، کانال های بسیاری را می توان به طور همزمان از یک فیبر منتقل نمود. سیستم های فیبر نوری از سیگنال های نوری که در باند مادون قرمز (طول موج 1 میلی متر تا 750 نانومتر) طیف الکترومغناطیسی وجود دارند، استفاده می نمایند. فرکانس های نور در محدوده نوری طیف الکترومغناطیسی معمولاً با طول موج آنها شناسایی می شوند، زیرا امکان شناسایی از طریق فرکانس بهتر انجام می شود.

اجزای سیستم DWDM

یک سیستم DWDM به طور کلی از پنج جزء تشکیل شده است: فرستنده / گیرنده نوری، فیلترهای DWDM Mux/DeMux، مالتی پلکسرهای Add یا Drop نوری (OADM)، تقویت کننده های نوری، Transponderها (مبدل های طول موج).

فرستنده ها و گیرنده های نوری

فرستنده ها یکی از اجزای DWDM هستند و ارائه دهنده سیگنال های منبع می باشند. از آنجایی که فرستنده های نوری در سیستم های DWDM بطور گسترده مورد استفاده قرار می گیرند، باید ویژگی های به خصوصی داشته باشند. در یک سیستم DWDM از چندین فرستنده نوری می توان به عنوان منبع نور استفاده نمود. بیت های داده الکتریکی ورودی (0 یا 1) باعث مدولاسیون جریان نور می شوند (به عنوان مثال، وجود نور = 1، عدم وجود نور = 0). لیزر پالس های نوری را ایجاد می نماید و هر پالس نوری نیز دارای طول موج ویژه ای (Lambda) است که براساس نانومتر (nm) آن را می توان توصیف نمود. در یک سیستم مبتنی بر، جریان اطلاعات دیجیتال به دستگاهی در لایه فیزیکی فرستاده می شود که خروجی آن، منبع نور (LED یا لیزر) بوده و با کابل فیبر نوری ارتباط برقرار می نماید. این دستگاه، صفر و یک های الکتریکی منبع نور را (به عنوان مثال نور = 1، بدون نور = 0) را به هسته فیبر نوری هدایت می کند البته باید به خاطر داشت که تبدیل الکترون به فوتون بر ترافیک شبکه تأثیری نمی گذارد و فرمت سیگنال دیجیتال عملاً هیچ تغییری نمی کند. پالس های نور از طریق انعکاس در فیبر نوری منتشر می شوند تا در نهایت یک سنسور نوری دیگر (فوتودیود) پالس های نور را تشخیص داده و سیگنال نوری ورودی را به شکل الکتریکی تبدیل کند. معمولا یک جفت فیبر نیز، هر دو دستگاه (یکی فیبر انتقال دهنده و دیگری فیبر دریافت کننده) را به هم متصل می نمایند.

سیستم های DWDM به طول موج های بسیار دقیق نور نیاز دارند، تا عملکرد بدون نقصی داشته باشند. معمولا از چندین لیزر مجزا نیز برای ایجاد کانال های مجزا در یک سیستم DWDM استفاده می شود. از آنجایی که، هر لیزر در طول موج متفاوتی عمل می کند، سیستم های مدرن در فواصل 200، 100 و 50 گیگاهرتزی کار می کنند. البته در حال حاضر سیستم های جدیدی نیز معرفی شده اند که قادرند از فاصله 25 گیگاهرتزی و 12.5 گیگاهرتزی نیز پشتیبانی کنند. به طور کلی، فرستنده‌های DWDM (DWDM SFP، DWDM SFP+، DWDM XFP، و غیره) که در فرکانس‌های 100 و 50 گیگاهرتزی کار می‌کنند، امروزه در بازار به وفور یافت می‌ شوند.

فیلترهای DWDM Mux/Demux

طول موج های متعدد (در باند 1550 نانومتر) ایجاد شده توسط فرستنده های متعدد، از طریق یک فیلتر نوری (فیلتر Mux) بر روی یک فیبر با یکدیگر ادغام می شوند. در نتیجه سیگنال خروجی از مالتی پلکسر نوری به عنوان سیگنال ترکیبی شناخته می شود. در قدم بعدی، یک فیلتر نوری (فیلتر DeMux) تمام طول موج‌های جداگانه سیگنال کامپوزیت را به فیبرهای جداگانه تبدیل می‌کند و فیبرهای جدا شده، طول موج های دمولتی پلکس شده را به همان تعداد گیرنده نوری ارسال می کنند. به طور معمول، کامپوننت های Mux و Demux (انتقال و دریافت) در یک محفظه واحد قرار دارند و دستگاه های نوری آن ها نیز می توانند غیرفعال باشند. سیگنال های ترکیب کننده به صورت نوری و نه به صورت الکترونیکی مالتی پلکس می شوند، بنابراین شما به هیچ منبع تغذیه خارجی نیاز نخواهید داشت.

شکل زیر عملیات DWDM را بصورت دو طرفه به خوبی نشان می دهد. N پالس نور از N طول موج های مختلف که توسط N فیبر مختلف حمل می شود توسط DWDM Mux ترکیب می شوند. سیگنال های N روی یک جفت فیبر نوری مالتی پلکس می شوند. DWDM Demux سیگنال ترکیبی را دریافت می کند و هر یک از سیگنال های N را جدا می کند و هر کدام را به یک فیبر ارسال می کند. فلش های سیگنال ارسالی و دریافتی نشان دهنده تجهیزات سمت مشتری است. پس در نتیجه این فرایند نیاز به استفاده از یک جفت فیبر نوری دارد: یکی برای انتقال و دیگری برای دریافت.

مالتی پلکسرهای Add یا Drop نوری

مالتی پلکسرهای Add یا Drop نوری (به عنوان مثال OADM) در مقایسه با فیلترهای Mux/Demux عملکرد متفاوتی دارند. شکل پایین، عملکرد DWDM OADM یک کاناله را نشان می دهد. این OADM صرفاً برای اضافه نمودن (Add) یا رها کردن (Drop) سیگنال های نوری با طول موج خاص طراحی شده است. از چپ به راست، یک سیگنال ترکیبی دریافتی، به دو ترکیب کننده drop و pass-through تقسیم می شود. OADM فقط جریان سیگنال نوری قرمز رنگ را حذف می کند و جریان سیگنال کاهش یافته به گیرنده دستگاه Client ارسال می گردد. سیگنال‌های نوری باقی‌مانده ای که از OADM عبور می‌کنند، با یک جریان سیگنال جدید مالتی پلکس می شوند. OADM یک جریان سیگنال نوری قرمز جدید اضافه می کند که عملکردی مشابه همان طول موج سیگنال Drop دارد و جریان سیگنال نوری جدید با سیگنال های عبوری ترکیب می شود تا زمانیکه یک سیگنال ترکیبی ایجاد گردد.

سیستم های OADM که برای کار در طول موج های DWDM طراحی شده اند، DWDM OADM نامیده می شوند، این در حالی که سیستم های OADM که از طول موج های CWDM استفاده می کنند، به CWDM OADM نامیده می شوند که هر دوی آنها در بازار به وفور یافت می شوند.

تقویت کننده های نوری

تقویت‌کننده‌های نوری با تحریک مستقیم فوتون‌های سیگنال با انرژی اضافی، دامنه را تقویت می‌کنند یا قدرت سیگنال‌های نوری که از فیبر عبور می‌کنند را افزایش می‌دهند. آنها دستگاه های "فیبردار" هستند. تقویت کننده های نوری، سیگنال های نوری را در طیف وسیعی از طول موج ها تقویت می کنند. این موضوع برای سیستم های DWDM از اهمیت بالایی برخوردار است. تقویت کننده های EDFA (Erbium-Doped Fiber Amplifiers) رایج ترین نوع تقویت کننده فیبر نوری می باشند. EDFA های مورد استفاده در سیستم های DWDM بعضی مواقع DWDM EDFA نامیده می شوند. برای افزایش فاصله انتقال سیستم DWDM، می توانید از تقویت کننده های نوری مختلفی از جمله DWDM EDFA، CATV EDFA، SDH EDFA، EYDFA و Raman Amplifier و ... استفاده کنید. همچنین در شکل زیر می توانید عملکرد DWDM EDFA را به خوبی مشاهده نمایید.

Transponders (مبدل طول موج)

Transponder ها سیگنال های نوری را از یک طول موج ورودی به طول موج خروجی دیگر تبدیل می کنند تا برای کاربردهای DWDM مناسب باشند. Transponder ها مبدل های طول موج نوری-الکتریکی-نوری (O-E-O) هستند. یک Transponder با انجام عملیات O-E-O طول موج های نوری را تبدیل می نماید، به همین دلیل بسیاری از افراد به آن ها OEO نیز می گویند. در سیستم DWDM، Transponder سیگنال نوری Client را به سیگنال الکتریکی (O-E) تبدیل می‌کند و سپس توابع 2R (Reamplify, Reshape) یا 3R (Reamplify, Reshape, and Retime) را انجام می‌دهد.

شکل زیر، عملکرد Transponder دو جهته را نشان می دهد. یک فرستنده WDM بین دستگاه Client و سیستم DWDM قرار گرفته است. از چپ به راست، Transponder جریان نوری را دریافت می کند که در یک طول موج خاص (1310 نانومتر) فعال قرار گرفته است. Transponder، طول موج عملیاتی جریان ورودی را به طول موجی مطابق با ITU تبدیل می کند و سپس خروجی خود را به سیستم DWDM منتقل می کند. در سمت دریافت (راست به چپ)، روند به شکل برعکس صورت می گیرد. Transponder، جریانی مطابق با ITU را دریافت می کند و سیگنال ها را به طول موجی تبدیل می کند تا دستگاه Client بتواند از آن استفاده نماید.

Transponder ها معمولاً در سیستم‌های WDM (2.5 تا 40 گیگابیت بر ثانیه) مورد استفاده قرار می گیرند که نه تنها سیستم‌های DWDM، بلکه سامانه های CWDM را نیز شامل می‌شوند. از Transponder های WDM (مبدل‌های OEO) نیز می توان همراه با پورت‌های ماژول مختلفی (SFP به SFP، SFP+ به SFP+، XFP به XFP و غیره) استفاده نمود.

نحوه عملکرد اجزای سیستم DWDM با فناوری DWDM

از آنجایی که یک سیستم DWDM از پنج جزء تشکیل می شود، باید با نحوه عملکرد آن ها نیز به خوبی آشنا باشیم. مراحل زیر، این موضوع را به خوبی نشان می دهند (همچنین می توانید کل ساختار یک سیستم DWDM اساسی را در شکل زیر مشاهده کنید):

1. Transponder، ورودی را به صورت یک پالس لیزری استاندارد تک حالته یا چند حالته می پذیرد. ورودی می تواند رسانه های فیزیکی مختلف، پروتکل ها و انواع ترافیک متفاوت باشد.

2. طول موج سیگنال ورودی Transponder به طول موج DWDM نگاشته می شود.

3. طول موج‌های DWDM که از فرستنده می آیند که با سیگنال‌هایی از اینترفیس مالتی پلکس می‌شوند تا یک سیگنال نوری ترکیبی را تشکیل دهند.

4. یک Post-Amplifier با خروج از مالتی پلکسر، قدرت سیگنال نوری را افزایش می دهد.

5. از OADM در یک مکان از راه دور برای اضافه نمودن یا کم کردن جریان بیت با طول موج خاص استفاده می شود.

6. در صورت نیاز می توان از آمپلی فایرهای نوری در طول فیبر (Aplifier in-line) استفاده نمود.

7. یک پیش تقویت کننده (pre-amplifier)، سیگنال را قبل از ورود به دی مالتی پلکسر تقویت می نماید.

8. سیگنال دریافتی به طول موج های جداگانه DWDM تبدیل می شود.

9. تک تک Lambdas DWDM از طریق Transponder به نوع خروجی مورد نیاز نگاشت می شوند و یا مستقیماً به تجهیزات سمت Client ارسال می گردند.

با استفاده از فناوری DWDM، سیستم‌های DWDM پهنای باند مناسبی را برای مقادیر زیادی از داده فراهم می‌کنند. از طرفی، ظرفیت سیستم‌های DWDM با پیشرفت فناوری ها روز به روز در حال افزایش است. DWDM با تامین طول موج و حفاظت مبتنی بر مش (mesh-based) در حال تبدیل شدن به پایه و اساس تمامی شبکه های نوری می باشد. سوئیچینگ در لایه فوتونیک این تکامل را ممکن می‌سازد، همانطور که پروتکل‌های مسیریابی که به مسیرهای نور اجازه می‌دهند شبکه را به همان شیوه‌ای که مدارهای مجازی امروزی می‌کنند، طی کنند. با پیشرفت تکنولوژی، ممکن است سیستم های DWDM در آینده به اجزای بیشتر و پیشرفته تری نیاز داشته باشند.