وقتی فیبر نوری می‌تواند حس کند
جایی در کمربند محیطی اقیانوس آرام، زمین لرزه ای قوی کف اقیانوس را تکان داد. سونامی غول پیکری را به راه می‌اندازد که سرعت آن افزایش می‌یابد و جزایر پرجمعیت، شهرهای ساحلی و شهرها را تحت تاثیر قرار می‌دهد. حال تصور کنید که لرزش در میلی ثانیه تشخیص داه شود و هشدار با سرعت نور به مرکز نظارت بر خشکی منتقل شود. زنگ هشدار به صدا درآمده و مقامات وارد عمل شده و مردم را به موقع از نقاط آسیب پذیر تخلیه میکنند.
در چنین سناریویی، میتوان از لرزه سنج‌های کف اقیانوس (OBS) برای صرفه جویی در این عصر جدید قدردانی کرد، اما اگر این سیستم کاملا متفاوت بود چه می‌شد؟
با ورود جهان به عصر دیجیتال و فراگیر شدن اینترنت، تسهیل کننده کلیدی این تغییر دگرگون کننده از چشم ما پنهان می‌ماند. شبکه‌ای از کابل های فیبر نوری که در بستر دریا و در تراشه ها مدفون شده‌اند یا در کانال های زیر خیابان ها و ساختمان های شهر، در کنار جاده ها و راه‌آهن قرار گرفته‌اند، باهم ترکیب می‌شوند تا بزرگراه‌های داده را تشکیل دهند و بیش از 95 درصد از مخابرات جهانی را پردازش کنند.
در حال حاضر حدود 486 کابل زیر دریایی فعال یا در حال ساخت با بیش از 1300 landing، که بیش از یک میلیون کیلومتر امتداد دارند، به عنوان "ستون فقرات اینترنت" معرفی می‌شوند. همتایان زمینی آن‌ها از مسافت‌های طولانی تری برخوردارند.
فیبرهای نوری هسته اینترنت هستند و امکان ارتباط گسترده افراد، دستگاه‌ها و رایانه‌ها را از فاصله چند متری مانند مراکز داده‌ها و دانشگاه‌ها تا فواصل عظیم در قاره‌ها و اقیانوس‌ها فراهم میکنند. با این حال، داستان به اینجا ختم نمی‌شود. کابل‌های زیر دریایی و زمینی در یک آواتار جدید در حال ظهور هستند و مزایای زیادی را در طیف وسیعی از برنامه‌ها به ارمغان می‌آورند.
حسگر فیبر نوری
بخش مخابرات به سرعت سیم مسی را به نفع کابل‌های فیبر نوری که ضخیم تر از موی انسان نیست و در فواصل طولانی انتقال نور را تسهیل می‌کند، حذف می‌شود. هر قطعه داده‌ای که بر روی رایانه ارسال یا دریافت می‌شود و تقریبا هر تماس تلفنی ما از طریق فیبر منتقل می‌شود. حتی ارتباطات تلفن همراه نیز به آن متکی است. فقط چند کیلومتر آخر از طریق هوا انجام می‌شود.
در 60 سال گذشته مهندسان در حال بررسی امکان استفاده از فیبر به عنوان حسگر بوده‌اند.
مهندسان و دانشمندان از همان روزهای اولیه فرصت فوق العاده سنجش فیبر نوری را درک کرده‌اند. مانتو لوناردی، مهندس محقق در آزمایشگاه نوکیا بل می‌گوید: اولین حق ثبت اختراع حسگر فیبر نوری به سال 1960 بر می‌گردد و برای دهه‌ها، تخیلی ترین ذهن‌ها در حال بررسی بسیاری از امکانات هیجان انگیز هستند که ارائه می‌دهد.
مهمترین فناوری محرک سنجش فیبر نوری، سنجش صوتی توزیع شده (DAS) است که امکان اندازه‌گیری زمان واقعی در طول کامل کابل را فراهم می‌کند. بر خلاف ابزارهای معمولی که وابسته به حسگرهایی هستند که در نقاط از پیش تعیین شده کار میکنند، اهرم‌های حسگر را روی خود کابل توزیع میکنند تا محیط را حس کنند.
به بیان ساده، یک تحقیق کننده DAS که به انتهای فیبر متصل است، پالس‌های نوری را ارسال می‌کند و به نوری که از تک تک تکه‌های میکروسکوپی فیبر باز می‌گردد، نگاه می‌کند، فرآیندی که به نام Reyleigh Backscatter شناخته می‌شود. تحقیق کننده با جمع آوری این تکه‌های کوچک نور و تماشای چگونگی تغییر هزاران بار در ثانیه به دلیل ارتعاشات در مجاورت، امضاهای منحصر به فرد را شناسایی کرده و هر نوع رویدادی را علامت گذاری می‌کند.
DAS یک سنسور اختصاصی است که رویدادهای صوتی اطراف فیبر را تشخیص می‌دهد. به سخت افزار اختصاصی و گاهی اوقات حتی فیبر اختصاصی نیاز دارد (غیر قابل استفاده در مخابرات). دان دانسکین، مدیر بازرگانی DAS در شبکه زیر دریایی Alcatel (ASN) می‌گوید: DAS به خودی خود نقش فعالی در انتقال داده یا ارتباطات بازی نمی‌کند، اما می‌تواند در کنار خط یا شبکه ارتباطی برای محافظت از دارایی فیبر یا بومی سازی بریدگی‌ها قرار گیرد.
علاوه بر این، در نسل فعلی و آینده ترانسپوندرهای محصولات Nokia 1830 PSS، علاوه بر ارسال و دریافت صدها گیگابیت در ثانیه، ترانسپوندر نظارت، سنجش و تجزیه و تحلیل پیشرفته‌ای را بر اساس تمام اطلاعات انتشار نور بازیابی شده انجام می‌دهد. یک ترانسپوندر منسجم تنها هدف سنجش را ندارد، اما از پیشرفت‌هایی در پردازش سیگنال دیجیتال برای استخراج اطلاعات سنجش و نظارت بدون نیاز به سخت افزار یا فیبر اختصاصی استفاده می‌کند.
برنامه های کاربردی سنجش
فیبر مخابراتی هم یک زیر ساخت حیاتی است که نیاز به نظارت دائمی دارد و هم به طور بالقوه یک حسگر توزیع شده در سطح جهانی، حس کردن محیط اطلاعاتی را فراهم می‌کند که می‌تواند دو منظوره باشد. این تکنولوژی می‌تواند به شناسایی تهدیدات یا اختلالات شبکه بالقوه کمک کند و اطلاعاتی را در مورد منطقه‌ای که سنسورهای دیگر در آن خالی هستند ارائه دهد.
یکی از مزایای قابل توجه حسگر فیبر نوری، نظارت بر کابل است که اغلب از زمین‌های خشن و در حال تغییر بستر عبور می‌کند. به عنوان مثال، فرستنده‌های منسجم می‌توانند به نظارت بر کل زیر ساخت کابل کمک کنند، آن را از هر گونه نشانه‌ای از خرابی ایمن نگه دارند و ظرفیت را بهینه کنند. پدیده آب و هوایی نامطلوب مانند طوفان، زلزله یا کارهای ساختمانی که می‌تواند باعث اختلال در فیبر شود، می‌تواند با ابزارهای اختصاصی یا مستقیما در فرستنده حس شود. نتیجه بازیابی سریع‌تر، افزایش زمان کارکرد و کیفیت خدمات برتر است.
تعمیر کابل‌های زیر دریا یک امر خطرناک و پر هزینه است. تشخیص زود هنگام و دقیق تداخل، خطا یا آسیب برای تداوم خدمات یکپارچه بسیار مهم است. سیستم‌های مانیتورینگ کابلی پیشرفته می‌توانند به هدایت پرسنل به محل دقیق رویداد برای مداخله به موقع کمک کنند.
کابل‌ها همچنین باید از فعالیت‌های انسانی مانند ترال، لنگر انداختن و لایروبی محافظت شوند. حسگرها می‌توانند ارتعاشات تورهای ماهیگیری که در امتداد بستر دریا کشیده می‌شوند را تشخیص دهند. تورهای ترال یک تهدید بزرگ برای کابل‌های زیر دریا هستند و حدود 70 درصد از کل آسیب های وارد شده به شبکه را تشکیل می‌دهند. یک هشدار زود هنگام به اپراتور کابل زمان می‌دهد تا کشتی را رادیویی کند و از آن بخواهد که از کابل دور شود.
فیبر حتی می‌تواند برای پایش زیست محیطی و علمی زمین لرزه‌ها و سونامی‌ها استفاده شود. شبکه کابل‌های زیر دریایی موجود می‌تواند به طور موثر به مجوعه‌ای عظیم از حسگرها تبدیل شود زمانی که به شبکه‌های مبتنی بر لرزه سنج متصل می‌شوند، می‌توانند نظارت جهانی زلزله را با هزینه‌ای مقرون به صرفه بطور قابل توجهی افزایش دهند. علاوه بر آن، فیبر نوری می‌تواند شرایط اقیانوس شناسی مختلف مانند جریان‌های اقیانوسی و رانش‌های صخره‌ای را رصد و به ردیابی پستانداران نیز کمک کند.
هنگامی که صحبت از سنجش کابل زمینی می‌شود، DAS بطور گسترده برای نظارت بر خطوط لوله خشکی از جمله تشخیص نشت، تداخل خارجی و نظارت بر حرکت زمین استفاده می‌شودو میتوان از آن برای حفاظت محیطی دارایی های حیاتی و کنترل مرزی استفاده کرد.
با استفاده از شبکه‌های کابل نوری موجود در مناطق شهری، DAS می‌تواند شبکه‌های سنجش را برای نظارت بر ترافیک و وضعیت جاده با وضوح بالا فراهم کند. نظارت بر راه‌آهن یکی دیگر از حوزه‌های نوظهور است. با یک کابل فیبر نوری در امتداد مسیر، DAS می‌تواند اطلاعاتی در مورد قطارهای متحرک ارائه کند، فعالیت‌های شخص ثالث را شناسایی کند و سنگ‌ها و لغزش‌ها را پیدا کند.
فرصت ها و چالش‌ها
با ارزیابی فرصت‌های فوق العاده ارائه شده توسط فیبر نوری، یکی از چالش‌های اصلی که صنعت باید با آن رسیدگی کند، مدیریت داده‌ها است. نظارت و سنجش در شبکه‌های نوری مدرن می‌تواند حجم بی سابقه‌ای از اطلاعات را تولید کند. مشکل موجود پردازش سیل داده‌ها برای استخراج سیگنال‌های معنی دار است.
ابزارهای مناسب، به عنوان مثال هوش مصنوعی و یادگیری ماشین (AI/ML)، می‌توانند برای حذف نویز در داده‌های حسی خام و شناسایی و ردیابی خودکار رویدادهای مورد علاقه استفاده شوند. باید همزمان با ظهور تهدیدهای جدید به صورت پویا عمل کند و از رعایت دقیق قوانین تعیین شده که بر فرآیند تصمیم گیری حاکم است اطمینان حاصل کند.
با توجه به گسترش گسترده شبکه‌های نوری،نظارت و سنجش می‌تواند چیز بزرگ بعدی باشد. فناوری که تاثیر مثبت و معناداری دارد و با تشخیص زود هنگام آتش سوزی، طوفان و زلزله به کاهش و مهار خطرات کمک می‌کند. حتی می‌تواند با هوشمندتر کردن و ایمن‌تر کردن جوامع، نقش فعالی در مقابله با پیامدهای تغییرات آب و هوایی داشته باشد.
