شبكة الاتصالات الضوئية Optical Network

أصبحت شبكات الاتصالات الضوئية ذات أهمية متزايدة نظراً لوجود طلب على وصلات عالية السعة، كما يتم نشر تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف “DWDM“، على نطاق واسع في الشبكات الأساسية لاستيعاب أنظمة النقل عالية السعة، وأصبحت المكونات الضوئية مثل المضخمات الضوئية والمرشحات القابلة للضبط وأجهزة الإرسال والاستقبال وأجهزة الإنهاء ومضاعفات الإرسال الإضافية أكثر موثوقية وبأسعار معقولة.

ما هي الشبكة الضوئية؟

الشبكة الضوئية: هي في الأساس شبكة اتصالات تستخدم لتبادل المعلومات من خلال كابل ألياف ضوئية بين طرف وآخر، كما إنّها واحدة من أسرع الشبكات المستخدمة في اتصالات البيانات، حيث إنّ إشارة البيانات عبر الألياف الضوئية تنتقل على شكل نبضات ضوئية، لذلك يتم استخدام الشبكات الضوئية من أجل نقل الإشارات الضوئية.

• “DWDM” هي اختصار لـ “Dense Wavelength Division Multiplexing”.

أساسيات الشبكة الضوئية:

يتم بناء شبكات الوصول والشبكات الحضرية بشكل متزايد باستخدام التقنيات البصرية للتغلب على الاختناق الإلكتروني عند حواف الشبكة، كما تقدم المكونات والأنظمة الفرعية الجديدة للشبكات الضوئية عالية السرعة خيارات تصميم جديدة.

لذا فإنّ الشبكة الضوئية تعتمد بشكل أساسي على سهولة إرسال الإشارة على شكل نبضات ضوئية كما يعتمد عصر الإنترنت اليوم على كابلات الألياف، ويمكن فقط نقل الإشارات الضوئية عبر هذه الكابلات وبالتالي تظهر الحاجة إلى الشبكة الضوئية، كما أنّ النقل عبر كابل الألياف يعد مهمة أسهل نظراً لانخفاض تكلفة الإنتاج للكابل.

وإلى جانب ذلك يسمح كابل الألياف بسعة كبيرة لنقل البيانات ونقل مسافة أطول من الكابلات الأخرى وبالتالي فإنّه يتم استخدام كابلات الألياف، وبالتالي تُعد الشبكة الضوئية جانباً مهماً من نظام الاتصالات.

عناصر الشبكة الضوئية:

أولاً: المحطات:

المحطات: هي في الأساس تلك الأجهزة التي يستخدمها مستخدمو الشبكة، فعلى سبيل المثال جهاز كمبيوتر أو أي جهاز اتصالات آخر، كما تعمل في الشبكة الضوئية كمصدر ووجهة للمعلومات التي يتم إرسالها واستلامها.

ثانياً: الجذع:

الجذع: هو في الأساس خط نقل أي كابل الألياف الضوئية من أجل نقل الإشارة الضوئية، كما تتكون الشبكة من جذوع واحدة أو عدة قنوات لنقل الإشارات عبر مسافة كبيرة.

ثالثاً: العقدة:

العقدة: هي ليست سوى بمثابة محور لخطوط نقل متعددة داخل الشبكة، وفي حالة وجود خط نقل واحد لا تتطلب الشبكة الضوئية عقداً، حيث يمكن في هذه الحالة توصيل المحطات الموجودة في كلا الطرفين مباشرةً بكابلات الألياف.

رابعاً: الهيكل:

عندما يتم استخدام كابلات ليفية متعددة في شبكة بصرية يتم توصيلها من خلال العقد، ولكن الطريقة التي ترتبط بها العقد المتعددة معاً تُشير إلى طوبولوجيا الشبكة.

خامساً: جهاز التوجيه:

يتم وضع جهاز التوجيه بشكل أساسي داخل شبكة بصرية توفر مساراً مناسباً لنقل الإشارة.

طبولوجيا الشبكة الضوئية:

أولاً: طوبولوجيا الناقل:

في طوبولوجيا الناقل يتم توصيل العقد المختلفة من خلال خط جذع واحد بمساعدة قارنات بصرية، وهذا يسمح بطريقة مريحة وفعالة من حيث التكلفة لنقل الإشارة، ومع ذلك في طوبولوجيا الناقل من الصعب تحديد العقدة المعيبة، كما يستغرق الأمر وقتاً لاستعادة الإشارة المرسلة من تلك العقدة المعينة.

ثانياً: طوبولوجيا الحلقة:

في طوبولوجيا الحلقة يتم ربط عقدة واحدة بالعقدة المجاورة لها وبالتالي تشكل مساراً مغلقاً، لذلك يتم إرسال المعلومات المنقولة في شكل ضوء من عقدة إلى أخرى، كما يتم تثبيت المقرنات الضوئية داخل الشبكة من أجل إقران الإشارة الضوئية المرسلة من عقدة إلى أخرى.

ثالثاً: طوبولوجيا النجوم:

في اتصال النجمة يتم توصيل العقد المختلفة للشبكة مع محور مركزي واحد، ويمكن أن يكون هذا المحور المركزي شبكة نشطة أو سلبية، وبعد ذلك يتحكم هذا المحور المركزي ويوجه الإشارة الضوئية المرسلة داخل الشبكة الضوئية.

رابعاً: طوبولوجيا الشبكة:

في الهيكل الشبكي يتم تكوين اتصال تعسفي بين العقد في الشبكة، كما يمكن تغيير هذا الاتصال من نقطة إلى نقطة وفقاً للتطبيق، حيث يوضح هذا الطبيعة المرنة لطوبولوجيا النجوم كما في حالة فشل عقدة واحدة ويمكن استخدام البعض الآخر لنقل الإشارات.

وبشكل أساسي في اتصال الشبكة يتم إنشاء فشل أي ارتباط أو عقدة ثم يتم أولاً اكتشاف هذا الفشل المحدد ثم يتم تحويل حركة مرور الإشارة من العقدة الفاشلة إلى ارتباط آخر داخل الاتصال.

فئات الشبكات الضوئية:

1- شبكة المنطقة المحلية “LAN”:

يوفر اتصال “LAN” بشكل أساسي التوصيل البيني للمستخدمين الموجودين في المناطق المحلية مثل مبنى أو قسم أو مكتب ومثال على طوبولوجيا شبكات “LAN” هو “Ethernet“، وكما هو الحال في شبكة “LAN” يُسمح للمستخدمين بمشاركة الموارد معاً مثل الخوادم وما إلى ذلك، حيث انّها رخيصة جداً.

• “LAN” هي اختصار لـ “Local Area Network”.

2- شبكة الحرم الجامعي:

تتكون فئة الشبكة هذه من خلال الربط البيني لشبكات “LAN” متعددة.، حيث يمتد هذا بشكل أساسي إلى مستوى كبير، ولكنّه لا يزال محصوراً داخل منطقة محلية كما تحكمها منظمة واحدة، ومن أمثلة شبكة الحرم الجامعي حرم جامعي أو مؤسسة حكومية أو مركز طبي.

3- شبكة منطقة العاصمة “MAN”:

تُعرف أيضاً باسم شبكة المترو وتغطي مساحة أكبر من شبكة الحرم الجامعي، كما يسمح بربط العديد من المباني الموجودة في مدن مختلفة، ونظراً لمنطقة التشغيل الكبيرة يتم التحكم في “MAN” من قبل العديد من منظمات الاتصالات.

• “MAN” هي اختصار لـ “metropolitan area network”.

4- شبكة المنطقة الواسعة “WAN”:

على عكس “MAN” توفر “WAN” ربطاً بين المستخدمين من المدن المجاورة وكذلك المناطق عبر البلاد كما يتم استخدامه لإنشاء اتصالات عبر مسافة جغرافية كبيرة، ويتم التحكم فيها وصيانتها من قبل بعض المنظمات الخاصة أو موفري خدمات الاتصالات.

• “WAN” هي اختصار لـ “wide area network”.

تطور الشبكة الضوئية لتطبيقات الهاتف المحمول 5G والتحكم القائم على SDN:

تم إجراء الاتصال الوثيق بين تقنيات الأجهزة المحمولة المتقدمة والشبكات الضوئية من خلال بنى شبكات الوصول إلى الراديو السحابي الناشئة، حيث تم تحديد روابط الألياف الضوئية من أو إلى مواقع الخلايا البعيدة باعتبارها الحل الرائد للاتصال عالي السرعة والكمون المنخفض، ومن خلال اتخاذ مثل هذه الشبكات الأمامية المتنقلة من الألياف الضوئية كحالة مرجعية، كما يتم توسيع نطاقها لتلبية متطلبات “5G” وفقاً لتقنيات الهاتف المحمول “5G” الرئيسية.

بما في ذلك المخرجات المتعددة المدخلات الضخمة “MIMO” والنقاط المتعددة المنسقة “CoMP” وتكثيف الشبكة عبر خلايا صغيرة أو بيكو أو فيمتو، واتصال من جهاز إلى جهاز “D2D” وبيئة شبكات غير متجانسة بشكل متزايد، كما سيتم فحص الانعكاسات على تنسيقات الإشارات الأمامية المتنقلة واختيار المكونات البصرية وإدارة الطول الموجي وتطور الهيكل والتحكم في الشبكة.

ومع إبراز الحاجة إلى تجاوز حلول واجهة الراديو العامة الخام “CPRI” ودعم جميع أنواع البصريات بتقسيم الطول الموجي “WDM“، وتمكين تطور الهيكل نحو بنية متداخلة واعتماد مستوى تحكم في الشبكة قائم على الشبكات المعرفة بالبرمجيات “SDN”، كما يُنظر إلى مناهج تطوير الشبكة الضوئية المقترحة على أنّها فرص لتحسين جودة تجربة جانب المستخدم “QoE” وتحقيق الدخل من الشبكة الضوئية الأساسية.

• “MIMO” هي اختصار لـ “Multiple Input/Multiple Output” و”CoMP” هي اختصار لـ “Coordinated Multi-Point”.

• “D2D” هي اختصار لـ “Device-to-Device” و”CPRI” هي اختصار لـ “Common Public Radio Interface”.

• “WDM” هي اختصار لـ “Wavelength Division Multiplexing” و”SDN” هي اختصار لـ “Software-defined networking”.

• “QoE” هي اختصار لـ “Quality of experience”.

مزايا الشبكة الضوئية:

• يدعم نظام الإرسال البصري النطاق الترددي العالي.

• يمكن إرسال الإشارة المرسلة إلى مسافات أطول.

• يُعتبر نظام الشبكات هذا أكثر مرونة من أنظمة النقل الأخرى.