يعتبر النقل الضوئي Optical Transmission تقنية حديثة في مجال الاتصالات تعتمد على استخدام الألياف الضوئية لنقل البيانات بسرعة وكفاءة عالية. يوفر هذا النوع من الاتصالات أداءً متفوقًا، وتقليلًا في فقدان الإشارة، ومقاومةً لِتداخل الإشارات الكهرومغناطيسية مما يجعله أساسيًا في البنية التحتية للاتصالات.
شهدت تقنية النقل الضوئي وكابلات الألياف الضوئية تطورًا عبر الأجيال، تمامًا كما هو الحال في تقنية الاتصالات اللاسلكية مع أجيالها 1G، 2G، 3G، 4G و 5G.
وكان الهدف الرئيسي لتطوير هذه الأجيال هو تحقيق أمرين:
تنقسم أجيال النقل الضوئي إلى:
ملاحظة: عندما نتحدث عن مدى يزيد عن 10000Km، فإننا لا نعني أن هناك كابل ضوئي بطول 10000Km، بل نقصد أن الخدمة تنتقل عبر هذا المدى من خلال مراحل. وهذا يعني أنه يجب استخدام مكررات الإشارة (repeater) لتكبير الإشارة وزيادة قوتها لتمكين وصول الإشارة لمسافات بعيدة.
يجب أن نعلم أن الكابل الضوئي ليس خاليًا من الفقدان (Losses)، فهو يحتوي على خسائر ضئيلة على المسافات القصيرة (حوالي 0.2dB/Km). ولكن مع زيادة المسافات إلى 10000Km، يصبح معدل الفقدان كبيرًا (0.2 × 10000)، مما يجعل من المستحيل الحصول على إشارة تصل إلى مثل هذه المسافات بدون تكبيرها وإعادة توليدها وتضخيمها(Regenerating).
عندما نتحدث عن النقل الضوئي، قد يتبادر إلى أذهان الكثير من المهندسين والطلاب الذين يدرسون في الجامعة أن النقل الضوئي هو”Fiber to Home”، ولكن هذا المفهوم غير صحيح. فالـ “Fiber to Home” هو مجرد تطبيق بسيط يستخدم تقنيات النقل الضوئي بنسبة 1% فقط.
في الواقع، تمثل جميع تطبيقات “FTTX” نسبة صغيرة جدًا من النقل الضوئي الذي نتحدث عنه هنا.
فالنقل الضوئي، كما ذُكر في البداية، يستخدم لربط الدول والعالم بأسره، باستخدام تقنيات متطورة مثل “DWDM”، وبسرعات عالية جدًا إذ إنّ أدنى سرعة في النقل الضوئي قد تصل إلى 1Gbps، وهذه السرعة تُعد أعلى من أعلى سرعة في التقنيات اللاسلكية.
وقبل أن نصل إلى مرحلة النقل الضوئي، كانت هناك تقنية تسمى “DSL” أو “DSLAM” أو “Broadband” وهي في الأساس تستخدم الأسلاك الملتوية (Twisted Pair). وكانت سرعتها ضعيفة جدًا بين 2 إلى 20 ميجابت في الثانية، ومداها يتراوح بين 3.5 إلى 5 كيلومترات كحد أقصى. ولذلك، كان علينا تثبيت مكررات الإشارة أو تصحيح الإشارة كل 5 كيلومترات للأسلاك الملتوية.
مع دخول الألفية الجديدة، بدأنا ننتقل نحو النقل الضوئي. في البداية كانت التكلفة مرتفعة، ولكن مع تزايد عدد المصانع والتطور في الأجهزة المصنعة والمعدات، أصبح النقل الضوئي أكثر اقتصادية وبدأنا نستخدمه في المنازل أيضًا.
عائلة FTTX هي اختصار لـ “Fiber to the Everything”، حيث يرمز الحرف “X” إلى “كل شيء”. تعتمد تقنية FTTX على شبكة PON (Passive Optical Network) وتنقسم إلى عدة أجزاء، منها FTTH والتي تعني “Fiber to Home”.
تعتبر DWDM و SDH أجزاء مهمة في النقل الضوئي. ويجب ملاحظة أن عدد الخبراء العرب في تقنية DWDM محدود جدًا، لذا يُعتبر هدفًا مهمًا أن تصبح مهندسًا وخبيرًا محترفًا في DWDM من خلال دورات تعليمية متخصصة في الألياف الضوئية والنقل الضوئي.
تنقسم FTTX إلى عدة أقسام، منها:
عائلة FTTX بشكل عام تتألف من أجزاء رئيسية، وهي:
وهي التي تحدد أقصى سرعة يمكن توصيلها للمستخدم، إذ تُحدد هذه السرعة من خلال SFP (Small Form-factor Pluggable) وهو عبارة عن تجهيزة وليس برمجية، إذ تُطبق البرمجة والتكوين Configuration على الـ ONT.
يحتوي الـ OLT على كروت وكل كرت يحتوي على SFP يحدد السرعة القصوى للمستخدمين إذ بإمكانك رفع السرعة عن طريق تبديل SFP إلى سرعة أعلى.
عند وجود مدينة تحتوي على 1000 مبنى، ليس من الضروري سحب 1000 كابل ألياف ضوئية لكل مبنى. يُمكن توصيلها عن طريق جهاز الـ Splitter (Passive Optical Splitter) أو ODN (Optical Distribution Network). وهذه الـ ODN عبارة عن كبينة تحتوي على الـ Splitter الضوئي، الذي يسمح بدخول الألياف الضوئية الصادرة من الـ OLT إليه ويجزؤها في خرجهإلى 2 أو 4 أو 6 أو 8 أو 10 أو 32 كابل ضوئي.
1- GPON هو اختصار لـ “Gigabit Passive Optical Network”، ويعني شبكة نقل ضوئية سلكية بسرعة 1Gbps. إذ يربط جهاز ONT بسرعة 1Gbps في الـ Passive Optical Network بالـ OLT الموجود في الموقع.
2- 10GPON هو اختصار لـ “10 Gigabit Passive Optical Network”، ويعني شبكة نقل بصرية سلكية بسرعة 10Gbps.
تعتمد PON في عملية النقل على اتجاهين رئيسيين
ما فائدة التزامن(Syncronization) بين الـONU والـOLT؟
يجب مزامنة الـ ONU والـ OLT لضمان عملية إرسال البيانات بنجاح في الوقت المحدد، ولهذا الأفضل إعادة تشغيل الراوتر عند حدوث مشاكل في الاتصال بالإنترنت أو بطء في التحميل، وذلك لإعادة تزامن الجهازين مرة أخرى ونقل البيانات بينهما بسلاسة.
تنقسم شبكة النقل الضوئية تبعًا للمعدات المطلوبة لكل قسم، وطرق التركيب والجودة والمنتجات والفرق الهندسية المختلفة بينهما إلى قسمين:
ولذلك، من المهم جلب مهندس متخصص في كل جانب وتعليمه وتدريبه على المكونات والأجهزة المستخدمة وكيفية التحليل والتركيب لها.
يعتمد مسار الإشارة داخل الليف الضوئي على مبدأ الانعكاس الكلي (Total Reflection).
الزاوية الحرجة: هي زاوية السقوط التي تكوّن زاوية انكسار مقدارها °90.
إذا سقطت الإشارة بالليف الضوئي بزاوية أقل من الزاوية الحرجة، فإنها ستتعرض لِلانعكاس الكلي الداخلي وستظل الإشارة تسير داخل الليف الضوئي بدون فقد أو ضياعات. أما إذا كانت زاوية سقوط الإشارة أكبر من الزاوية الحرجة، فسوف يحدث تكسير للإشارة وفقدان للإشارة (Losses)
قبل الدخول في شرح عملية الـ Transmission،يجب فهم مكونات الليف الضوئي.
يتكون الليف الضوئي من ثلاثة أجزاء: الـ Core، الـCladding، والـCoating.
الـn index: هو سرعة الضوء في الهواء / سرعة الضوء في المادة.
تختلف قيمة عامل الانكسار (n index) بين الـ Core والـCladding؛ حيث يكون n index أعلى في الـCore مقارنةً بالـCladding. هذا الفرق في n index يجعل عملية الانعكاس الكلي تحدث عندما يكون n1 > n2.
الـCladding ليس مجرد غلاف للـCore كما يعتقد البعض، بل هو جزء من الليف الضوئي نفسه، والـCoating هو الغلاف الخارجي لهذا الليف
في مجال الألياف الضوئية، هناك طريقتان لتصنيع الألياف وتسمى الـ”step index” والـ”graded index”.ويتعلق هذا بتغير معامل الانكسار (index) بين النواة (core) والغلاف (cladding) لليف الضوئي.
الـStep index: يعني “انخفاض مفاجئ”، إذ تكون كثافة النواة فيها أعلى بشكل مفاجئ من الغلاف. على سبيل المثال، قد يكون قيمة معامل الانكسارفي النواة n1=1.7 وفي الغلاف n2=1.6. وبالتالي، يحدث فقدان للإشارة بشكل أكبر عند التغير المفاجئ في الكثافة.
الـGraded index: يكون هناك تغير تدريجي في الكثافة بين النواة والغلاف، حيث تكون كثافة النواة أعلى في منتصفها وتنخفض تدريجياً نحو الغلاف. على سبيل المثال، قد تكون قيمة معامل الانكسار تبدأ من 1.7 في منتصف النواة وتنخفض تدريجياً إلى 1.6 في الغلاف. وبفضل هذا التغير التدريجي، يكون هناك فقدان أقل للإشارة أثناء انتقالها داخل الليف.
هي زاوية سقوط الإشارة بحيث تكون أكبر من الزاوية الحرجة.
إذا سقطت الإشارة داخل الليف الضوئي فإنها ستضيع وتتشتت و سيتم فقدانها، لذلك نحرص عند تركيب الفايبر كيبل في الـsfp أن نسمع صوت تكة Tick تؤكد لنا أن الفايبر رُّكب بشكل صحيح و حقق الزاوية الحرجة و بالتالي ضمان عدم فقدان الإشارة.
في مجال الاتصالات ، نتعامل مع مفهوم التردد (Frequency) والطول الموجي (Wavelength).فما هو التردد؟ التردد هو عدد الإشارات المرسلة في الثانية الواحدة.ويقاس بواحدة هرتز (Hertz).
إذ أن 1 هرتز يعني إرسال إشارة واحدة في الثانية.
علاقة التردد بالطول الموجي هي عكسية، حيث كلما ارتفع التردد، قل الطول الموجي والعكس صحيح. هذا يعني أن الترددات العالية تمتلك أطوالًا موجية أقصر، بينما الترددات المنخفضة تمتلك أطوالًا موجية أطول.
تردد 10GHz يعني إرسال 10 مليار إشارة في الثانية الواحدة. وبناءً على العلاقة العكسية بين التردد والطول الموجي، سيكون له طول موجي قصير جدًا. لنقل الموجات على هذا التردد العالي، يتطلب الأمر ألياف ضوئية تعمل عند طول موجي قصير.
عندما نقول أننا بدأنا بتردد 10GHz وانتهينا بـ 11GHz كـ Bandwidth، فإن ذلك يعني أننا قادرون على نقل مليار إشارة في الثانية الواحدة ضمن هذا النطاق الترددي.
موجات الراديو الطويلة (Long Radio Waves): تُسمى بالترددات القليلة، وهي تستخدم لإرسال إشارات الراديو على مسافات بعيدة جدًا.
كلما زاد الطول الموجي لتلك الموجات. كلما قل التردد، وهذا يسمح لها بالانتقال عبر مسافات أطول وتجنب الخسائر (Losses) بشكل أكبر والعكس صحيح.
ترددات الراديو AM و FM: تتراوح بين 450 ميجاهرتز إلى 2600 ميجاهرتز. وهي تشمل أجيال الموبايل كالجيل الأول. الثاني. الثالث، الرابع بالإضافة لجزء من الـ 5G الذي يطلق عليه C-band موجود عند 3.5GHz لذلك يحتاج الـ5G لأبراج تغطية أكثر لأن الأبراج الحالية لديها losses جدًا عالي. ولمعلومات أكثر اشترك في دورة الـ Wireless.
الترددات العالية: مثل الأشعة تحت الحمراء (IR) و المايكروويف (Microwave)، تستخدم لأغراض متنوعة. فمثلًا، الأشعة تحت الحمراء مثالية من أجل الأجهزة مثل الريموت كونترول للتحكم عن بُعد، بينما الترددات العالية من الموجات المايكروويف تستخدم في تكنولوجيا الاتصالات والأقمار الصناعية وأنظمة الرادار.
أما فيما يخص الترددات المستخدمة في النقل الضوئي (Optical Transmission)، فهي تتمحور حول موجات الإشارة الضوئية.
هناك العديد من نطاقات الترددات المستخدمة، بدءًا من الترددات العالية والتي تتضمن الألوان المرئية Visible Spectrum والتي لا نستخدمها في النقل الضوئي، وصولاً إلى الترددات المنخفضة التي تشمل الألياف المستخدمة في Optical Transmission. إذ تستخدم ترددات 850nm، 1310nm، 1550nm لأغراض مختلفة في النقل البصري، وتعتبر ترددات 1310 نانومتر و 1550 نانومتر الأكثر استخدامًا للمسافات المتوسطة والبعيدة نظرًا لانخفاض فقدان الإشارة فيها.
تكون الترددات العالية جدًا هي الرائدة هنا، مثل الأشعة فوق البنفسجية (UV) والأشعة السينية (X-ray) والأشعة غاما (Gamma)، لأغراض مختلفة في المجالات العلمية والطبية.
في نظام النقل الضوئي (Optical Transmission)، تلعب طول موجة الإشارة الضوئية دورًا حاسمًا في تحديد خسائر الانتشار Propagation Loss ومدى النقل الممكن في الألياف الضوئية. تتميز الترددات المختلفة في النقل الضوئي بما يلي:
وحزمة الترددات الـ1550 نانومتر (C-Band) واحدة من أكثر حزم الترددات المستخدمة في نظم النقل الضوئي المتقدمة بسبب الخسائر المنخفضة والقدرة على النقل على مسافات طويلة. هذا يجعلها تستخدم بشكل شائع في تقنيات النقل عالية السعة مثل DWDM.
في النهاية، لا شك أن نقل البيانات عبر الألياف الضوئية أصبح عمودًا فقريًا في عصرنا الحالي. إذ تمثل هذه التكنولوجيا الحديثة طفرة هائلة في عالم الاتصالات وتسهم في تحقيق تواصل فعّال وسريع على مستوى عالمي. لذا، نحث مهندسي الاتصالات على احتراف هذا المجال المثير والمتطور والعمل على تطوير تقنيات DWDM لتحسين سعة الشبكات وتلبية احتياجات المستقبل المتزايدة من خلال دورة الألياف الضوئية التي تقدمها لكم أكاديمية My Communication.
Optimized by Seraphinite Accelerator