منصور عمراني


پيش از آن كه بتوانيم براي برآوردن نيازهاي ارتباطي آينده، قدرت نور را تحت كنترل خود در بياوريم، بايد توجهمان را از مسيرياب‌ها به خود شبكه معطوف سازيم. فناوري‌هاي شبكه‌هاي نوري جديد، ارتباطات را متحول خواهند نمود و ما را به مسير شبكه‌هاي فراگير باند پهن هدايت خواهند كرد. شبكه‌هاي باندپهن با داشتن نرخ‌هاي انتقال داده‌اي مختلف، به طور روزافزوني در حال نفوذ به بازارهاي جهاني هستند. در ژاپن، از ماه ژانويه‌ تا ماه مي سال 2004، بيش از 14 ميليون نفر، مشترك خطوط باند پهن شده‌اند كه از بين آن‌ها، 6/10 ميليون نفر، مشترك DSL، 5/2 ميليون نفر مشترك كابلي و يك ميليون نفر مشترك خطوط فيبر به خانه با نام FTTH بوده‌اند. با وجود اين كه تعداد مشتركين خطوط FTTH هنوز پايين است، اما نرخ رشد آن (1/4 برابر در سال)، از ميزان رشد خطوط7/1) DSL برابر در سال) بسيار بيشتر است. انتظار مي‌رود طي مدت 4 تا 5 سال آينده، تعداد مشتركين خطوط FTTH در ژاپن بيشتر از تعداد مشتركين خطوط DSL شود. افزايش تعداد كاربران FTTH از نرخ اشتراك پايين آن و در دسترس بودن سرويس‌هاي پر سرعت نشات مي‌گيرد. نسبت نفوذ خطوط باندپهن در بين مردم ژاپن كه 32 درصد تعداد كل خانواده‌ها بوده است، به سرعت در حال افزايش است. در كشور كه ميزان نفوذ شبكه‌هاي باند پهن در بين مردم برابر 70 درصد مي‌باشد، بازارها تقريباً به حالت اشباع رسيده‌اند. اين بازار در آمريكا نيز همين‌گونه است. اما شبكه‌هاي نوري آينده چگونه خواهند بود؟


هنگامي كه سرويس‌هاي DSL  براي اولين بار در سال 1998 در ژاپن عرضه شدند، حداكثر سرعت خطوط آنها برابر 500 كيلو بيت بر ثانيه بود. امروزه پيشرفت‌هاي تكنولوژيك، پهناي باند تا 40 مگا بيت بر ثانيه را ممكن ساخته است. البته، بالاترين سرعت، تنها براي تعداد محدودي از كاربران كه كمتر از يك كيلومتر با شركت فراهم‌كننده‌ سرويس اينترنت (ISP)  فاصله دارند مهيا است. امروزه حداكثر سرعت خطوط  FTTH كه در سال 2000 معرفي شدند، برابر 100 مگا بيت بر ثانيه است. هيچ شكي وجود ندارد كه پيشرفت دستيابي به شبكه‌هاي باندپهن در ژاپن، تحت تاثير نرخ‌هاي اشتراك پايين آن در دنيا قرار دارد. مشتركين مي‌توانند با پرداخت  مبلغي كمتر از 25 دلار در ماه، از سرويس DSL استفاده نمايند و  FTTH نيز حدود 50 دلار در ماه هزينه دارد.

در ژاپن، ترافيك اينترنت در نتيجه‌ ورود شبكه‌هاي باند پهن به سرعت در حال افزايش است. ترافيك پي بستر اصلي اينترنت نيز با نرخ سالانه‌ بيش از 150 درصد، رو به افزايش است. اين نرخ توسعه، در مدت 5 سال، افزايشي صد برابر و در مدت 10 سال، افزايشي ده هزار برابر خواهد داشت كه نرخ رشدي رعب‌آور است.
البته اين روند، تنها محدود به كشور ژاپن نيست. نرخ رشد ترافيك پي‌بستر اصلي اينترنت در آمريكاي شمالي كه كمتر از 100 درصد است، به اين اندازه نگران كننده نيست، اما با اين وجود، نرخ قابل توجه و چشمگيري است.

شكل 1- گام 1: معرفي فناوري DWDM  و مسيريابي طول موج.

گام 2: معرفي تسهيم طول موجي فوق العاده چگال،  مسيرياب فوتوني MPLS و زنجيره‌ سوئيچ‌ها، OADM، سيستم‌هاي نوري OXC

عوامل مهم در طراحي شبكه حجم ترافيك، ظرفيت انتقال و برونداد (Throughput) گره‌ها، سه عامل اساسي در طراحي شبكه‌ها هستند. نماي شماتيك ارتباط بين آن‌ها در شكل 1 نشان داده شده است. اكنون، دنياي صنعتي در آستانه‌ طلوع عصر شبكه‌هاي همه‌گير باند پهن قرار دارد. پيشرفت‌هاي حاصل شده در زمينه‌ پردازش الكترونيكي- شامل TDM Time Division Mulltiplexing و برونداد الكترونيكي اتصال روتر/سرويس‌دهنده، كه كم و بيش از قانون مور پيروي مي‌كند، حركت كندتري دارد. براي پر كردن فاصله‌ بين بار ترافيك شبكه و تكنولوژي پردازش‌هاي الكترونيكي، محققين شبكه‌هاي نوري، فناوري‌هاي شبكه‌هاي نوري را توسعه داده‌اند. به همين سبب فناوري WDM به ميزان گسترده‌اي توسعه يافته است و مسيريابي طول موج با استفاده از مالتي‌پلكسرهاي نوري OADSM و سيستم‌هاي اتصال ross  Connect نوري OXS، در حال معرفي هستند.

معرفي تكنولوژي‌هاي نوري، سهم اصلي را در پيشرفت كارايي شبكه داشته است. در اين دوره، رشد ترافيك، عمدتاً به دليل استفاده از برنامه‌هاي كاربردي نظير برنامه‌هاي دريافت تصوير، فيلم، موسيقي و نيز برنامه‌هاي نظير به نظير اشتراك‌گذاري فايل است. . پس از اين، سرويس‌هايي نظير پخش جرياني تصاوير با كيفيت بالا (‌1k*2k  پيكسل) و با كيفيت بسيار بالا (‌2k*4k پيكسل)  ترافيك شبكه را به شدت افزايش خواهد داد. براي اشتراك چنين سرويس‌هاي جديدي (كه به نرخ انتقالي از 20 تا 300 مگابيت بر ثانيه نياز دارد)، مشتركين به طور فزاينده‌اي به خطوط FTTH نياز خواهند داشت. براي غلبه بر انفجاري كه در حجم ترافيك رخ مي‌دهد، بايد پيشرفت‌هايي در كارايي شبكه حاصل شود و هزينه‌ها كاهش يابد تا سرويس‌هاي پخش برنامه‌هاي با كيفيت بالا از طريق شبكه بتواند با هزينه‌اي كمتر از دو برابر هزينه‌اي كه مشتركين فعلي مي‌پردازند فراهم شود. براي رسيدن به اين هدف، تكنولوژي‌هاي MPLS :Multi Protocol Label Switching در مسيرياب‌ها به كار گرفته خواهد شد و از تكنولوژي‌هاي با چگالي فوق‌العاده بالاي WDM استفاده خواهد شد.

سير تكامل شبكه‌هاي نوري

شكل 2-  سير تكاملي شبكه هاي فوتوني.
(a) سيستم انتقال 43 گيگابيت بر ثانيه اي مبتني بر  OTN (سال 2003)
(b) سيستم 64 گيگابيت بر ثانيه‌اي OXC (سال 2003)
(c) . مسرياب MPLS  فوتوني. مسيرياب هيكاري با ظرفيت بالا از كلاس ترابيت كه در سال 2001 معرفي شد.

شكل 2، روند توسعه‌ شبكه‌هاي انتقال نوري را نشان مي‌دهد. سيستم‌هاي نقطه به نقطه‌ انتقال داده‌ فيبر نوري در سال 1981، هنگامي كه ظرفيت انتقال برابر 32 مگابيت بر ثانيه بود، در شبكه‌ NTT معرفي شدند. اخيراً سيستم‌هاي انتقال داده ‌WDM، در ژاپن به ميزان وسيعي به كار گرفته شده‌اند. در سال 2003، حداكثر ظرفيت انتقال WDM  به دست آمده در هر فيبر، برابر 800 مگابيت بر ثانيه بود. سرعت كانال‌هايWDM  امروزي، 5/2 گيگابيت و 10‌گيگا‌‌بايت بر ثانيه است، اما محققيني كه آزمايش شبكه‌ انتقال نوري (OTN) را رهبري كردند، ميزان انتقال 43 گيگابيت بر ثانيه را گزارش نمودند. در حال حاضر، سيستم‌هاي 43 گيگابيت بر ثانيه‌اي، در هر كانال، در برخي شبكه‌هاي تحقيقي در حال پياده‌سازي است. تكنولوژي‌هاي مسير نوري (optical path) براي شبكه‌هاي نوري در حال به‌كارگيري هستند. سيستم‌هاي ايستاي OADM در سال 2000 در برخي شهرهاي صنعتي ژاپن معرفي شدند. همچنين استفاده از سيستم‌هاي OADM قابل پيكربندي مجدد در سطح جهاني به زودي آغاز خواهد شد.


محققين، يك سيستم  OXC را توسعه داده‌اند كه داراي برونداد 320 گيگا‌بيت بر ثانيه (128 2.5Gbit/s x) در هرCabinet مي‌باشد، نرخي كه به سادگي با به كارگيري يك پيكربندي چهار كابينه، به 28/1 ترابيت بر ثانيه قابل افزايش است. در آغاز سال 1999، اين سيستم به صورت آزمايشي در شهر كاناگاوا در نزديكي توكيو به كار گرفته شد. دوره‌ سه ساله‌ آزمايش، به محققين اجازه داد تا قابليت اطمينان سيستم‌هاي OXC را تاييد نمايند كه از تكنولوژي‌هاي مدار موج سبك دو‌وجهي PLC  استفاده مي‌كنند. سيستم‌هاي OXC در سال 2003 (در ژاپن) به عنوان بخشي از طرح دولتي توسعه‌ شبكه‌هاي با كارايي بسيار بالا معرفي شدند.

بحث مسيرياب فوتونيك، دستگاهي كه بيشتر مبتني بر پروتكل IP است نيز به نوبه‌ خود جذاب است. دو نوع مسيرياب نوري وجود دارد: دسته‌ اول مسيرياب‌هاي نوري MPLS هستند كه طول موج نور را به عنوان علامت در جريان‌هاي بيتي لايه‌ 1 به كار مي‌برند و به عنوان مسيرياب‌هاي نسل بعدي در نظر گرفته مي‌شوند. دسته‌ دوم سوييچ‌هاي نوري متصل به هم هستند كه آن‌ها نيز به نظر مي‌رسد پتانسيل چشمگيري داشته باشند، اگرچه هنوز مورد تأييد قرار نگرفته‌اند.

مسيرياب MPLS  فوتونيك‌

شكل 3- مقايسه اي از يك مسيرياب
 (a) يك مسيرياب MPLS  فوتوني (b). در مسيرياب MPLS ، به هر بسته‌ IP  يك برچسب و به هر جريان لايه‌ 1، يك برچسب طول موج اضافه مي شود.

مسيرياب‌هاي MPLS فوتونيك، از طول موج نور به عنوان علائمي براي ايجاد مسيرهاي نوري علامت-گزين (OLSP)  استفاده مي‌كنند. هر OLSP معادل يك بسته‌ IP است و به همان نحو عمل مي‌كند. شكل 3 مقايسه‌اي از يك مسير علامت-گزين (LSP) براي يك MPLS و يك مسير نوري علامت-گزين براي يك MPLS  فوتونيك را نشان مي‌دهد.

براي ايجاد علامت طول موج، دو رهيافت وجود دارد: يك طول موج منفرد مي‌تواند به يك مسير مشخص براي ورود و خروج به مسيرياب اختصاص داده شود و يا اين كه طول موج، به‌صورت لينك به لينك بين اتصال‌ها مرتباً جا به جا شود. در MPLS، يك ليبل لايه‌ 2 (كه يك Shim header ناميده مي‌شود) در يك مسيرياب ورودي، به هر بسته، چسبانده مي‌شود. سپس در ادامه، در هر اتصال، اين ليبل جا به جا مي‌شود. در MPLS ‌هاي فوتونيك، در يك مسيرياب خروجي، يك ليبل طول موج به يك جريان بيتي چسبانده مي‌شود و هر بسته‌ IP به صورت يك OLSP، همساز مي‌گردد. يكي از اختلافات بزرگ MPLS  و MPLS فوتونيك اين است كه MPLS اجازه مي‌دهد كه علائم با هم ادغام شوند كه در اين حالت در يك مسيرياب علامت-گزين مياني، دو LSP يا تعدادي LSP كه در حال عبور از يك مسير هستند، با هم ادغام شده و به يك LSP تبديل مي‌شوند، در حالي كه MPLS  فوتونيك اجازه‌ ادغام‌شدن علامت‌ها را نمي‌دهد. يك اختلاف ديگر اين دو مسيرياب، اين است كه در به‌كارگيري MPLS فوتونيك، به علت محدوديت‌هاي WDM، تعداد OLSP ‌هاي قابل استفاده در هر اتصال، محدود است كه تعداد آن در حال حاضر برابر 200 مي‌باشد. به همين دليل، MPLS  فوتونيك در ابتدا به عنوان پي‌بستر يا backbone شبكه‌ مورد استفاده قرار خواهد گرفت.

شكل 4- پيكربندي مسيرياب MPLS  فوتوني‌

شكل 4، معماري يك مسيرياب نوري MPLS را كه اخيراً توسعه داده شده است، نشان مي‌دهد. مسيرياب، از يك MPLS الكتريكي و يك واحد مسيريابي لاندا (LRU) كه OLSP ‌ها را با استفاده از پروتكل تعميم يافته ‌MPLS، مسيريابي مي‌كند، تشكيل شده است. LRU وظايف انتقال داده‌ WDM و محافظت از لايه يك شبكه (1+1 و 1:1)، بازيابي توابع آشكارساز خطا و نيز وظايف نظارت بر كيفيت سيگنال‌هاي نوري را برعهده دارد. به‌منظور ساده‌سازي پردازش ساخت مسيرها، LRU  همچنين وظيفه‌ تبديل طول موج را نيز برعهده دارد كه به طول موج هر OLSP  اجازه مي‌دهد كه به صورت لينك به لينك جاي شود. اين كار، از تصادم طول موج‌ها جلوگيري مي‌كند و نياز به تخصيص طول موج را بر‌طرف مي‌سازد و باعث حداكثر استفاده از اتصال مي‌گردد. كنترل MPLS الكتريكي و LRU همراه با هم است. هماهنگي بين لايه‌هاي الكتريكي و نوري بدين معني است كه كار به صورت plug-and-play قابل انجام است. پروتكل سيگنال‌دهي، كه توسعه‌اي از پروتكل ذخيره‌ منبع RSVP با مهندسي ترافيك مي‌باشد، سيستم را گران‌قيمت مي‌سازد. توليد چندين طول موج در يك زمان، كه به شدت در زمينه‌ شبكه‌سازي و انتقال اطلاعات مفيد است، با به كارگيري يك طيف نور متسلسل (SC) به دست

شكل 5- توليد پالس چند طول موجي و موج نور پيوسته توسط منبع نوري سوپركانتينيوم‌

مي‌آيد. همان گونه كه در شكل 5 نشان داده شده است، تكنولوژي SC، از اثر غير خطيِ فيبرهاي نوري، براي توليد چندين طول موج استفاده مي‌نمايد. طيف باريك طول موج ناشي از پالس‌هاي اوليه‌ ورودي، در حين اين كه آنها فيبر نوري غيرخطي را پيمايش مي‌نمايند، انتشار مي‌يابد. سپس هنگامي كه طيف به يك صافي طول موج، مانند يك شبكه‌ آرايه‌اي هادي موج، پالس‌هاي چند‌رنگي و يا يك شبكه‌ پيوسته‌ فركانس موج مي‌رسد، طول موج‌ها به طور همزمان توليد مي‌شوند. هنگامي كه چندين مُد طولي از طيف حذف شدند، پالس‌ها مجدداً با تكرار پالس‌هاي اوليه‌ توليد مي‌شوند و پهناي پالس توليد شده توسط پهناي باند صافي تعيين مي‌گردد. هنگامي كه تنها يك مُد طولي از طيف انتشار يافته SC حذف مي‌شود، چندين حامل موج پيوسته توليد مي‌شود. تثبيت طول موج منبع، كار نسبتاً ساده‌اي است. پايداري طول موج پالس‌هاي چند‌رنگي توليد شده، توسط پايداري طول موج صافي تعيين مي‌گردد. پايداري صافي‌هاي طول موج منفعل از لحاظ مقدار و بزرگي، بالاتر از پايداري صافي‌هاي طول موج ديودهاي ليزري است.

تا به امروز، بيش از هزار حامل نوري با فاصله كانال 5/12 گيگاهرتز و نسبت‌هاي سيگنال به نويز كه امكان انتقال اطلاعات را به ميزان5/2 گيگابيت بر ثانيه در هر كانال فراهم مي‌آورند، توليد شده‌اند. در يك آزمايش موفقيت‌آميز ديگر با كانال‌هاي 10گيگابيتي محققان توانستند انتقال WDM با پهناي باند بسيار بالا را روي بيش از 30 كانال 5 گيگاهرتزي تجربه كنند. حامل‌هاي نوري ايجاد شده در شكل 6 (الف) نشان داده شده‌اند.

شكل 6-  توليد حامل نوري سوپركانتينيوم.
(a) حامل‌هاي با فاصله كانال 50 گيگاهرتزي.
(b) ميكروگراف 
(c) طيف نور سوپركانتينيوم توليد شده با استفاده از PM-PCF .

با افزايش خاصيت غيرخطي فيبرنوري استفاده شده در توليد SC، مي‌توان كارايي توليد نور SC را افزايش داد به نحوي كه پيك قدرت پالس‌هاي ورودي اوليه، مي‌تواند كاهش يابد. همچنين قابليت‌هاي قدرتمند هدايت نوري اين فيبرها، شعاع خميدگي بسيار كوچكي (كمتر از 3 ميليمتر) بدون تلفات نوري اضافي براي فيبر به دست مي‌دهد. اخيرا PCF ‌هاي با تلفات نوري پايين نيز توسعه داده شده‌اند.

تغيير كوچكي در ساختار فيبرها مي‌تواند فيبرهاي با قابليت پلاريته (PM) كه صفت مميزه‌ آن‌ها در شكست نور بالاي آن‌ها است به دست دهد. سطح شكست نوري كه با اين فيبرها به دست مي‌آيد مي‌تواند بسيار بيشتر از چيزي باشد كه فيبرهاي غير‌پلاريته به دست مي‌آورند. هزينه‌ ساخت چنين فيبرهايي به دليل اين كه در ساخت آن‌ها، نيازي به عمليات پيچيده‌اي نظير سوراخ‌كاري يا پر كردن آن‌ها با يك ماده‌  مخصوص وجود ندارد، بسيار پايين است.

شكل  6  (ب) ميكروگراف مركز يك فيبر PM-PCF را كه به تازگي براي توليد نور SC با پهناي باند 55/1 ميكرومتر ساخته شده است، نشان مي‌دهد. محققين، اين فيبر را براي دستيابي به تفرق پايين -0.23 ps/km/nm)  در 550/1 ميكرومتر) و شيب تفرق پايين (02.10 ps/km/nm در 550/1 ميكرومتر) و پلاريزاسيون مورد استفاده قرار دادند. يك فيبر PM-PCF به طول 200 متر مي‌تواند يك نور 40 SC نانومتري با پهناي باند 55/1 ميكرومتر توليد كند. شكل 6  (ج).

آينده
فوتون‌ها و الكترون‌ها بسيار با هم متفاوتند، اگرچه ويژگي‌هاي مشتركي نظير خاصيت ذره‌اي و  موجي بودن دارند. فوتون‌ها نه جرم دارند و نه بار و معمولاً مانند موج عمل مي‌كنند. الكترون‌ها، هم جرم دارند و هم بار و معمولاً به صورت ذره‌اي رفتار مي‌كنند. اختلاف بنيادين آن‌ها در ميزان تعامل آن‌ها با ذرات ديگر است.

در اپتيك امروز، هيچ قطعه اساسي همچون ترانزيستور وجود ندارد. در نتيجه حافظه‌هاي نوري ساخته نمي‌شوند و به نظر مي‌رسد كه ساخت آنها نيز بسيار مشكل باشد. به همين دليل، جايگزيني مسيرياب‌هاي الكتريكي فعلي با مسيرياب‌هاي نوري، به سادگي انجام نمي‌گيرد. ما بايد بتوانيم از خواص ذاتي نور به‌طور كامل استفاده كنيم. قابليت مسيريابي براساس طول موج، پيشرفتي است كه بايد مورد بهره‌برداري قرار بگيرد. برنامه‌هاي كاربردي شبيه‌سازي پردازش نور در فضا در سيستم‌هاي انتقال شبكه‌اي (به صورت پردازش دو يا سه بعدي)، كه مي‌تواند با سرعت نور مورد استفاده قرار بگيرد، بايد در آينده بررسي شوند. ممكن است پروتكل‌هايي كه با سرعت نور كار مي‌كنند توسعه داده شوند. ابزارهاي مورد انتظار ديگر، پردازش نوري دو‌بعدي يا سه‌بعدي در تركيب با اتصال نوري سه‌بعدي با استفاده از باريكه‌هاي نور كاملاً موازي و يا دستگاه‌هاي ليزري تابش عمودي نور با سطوح كاو (VCSEL)  هستند.