الشبكة الضوئية السلبية (PON)
تعرف على الشبكات الضوئية المنفعلة بما في ذلك الأنواع المختلفة لـ PON، وتطبيقات PON المتنوعة، وفوائد PON، وهندسة PON، وما إلى ذلك.
ما هي الشبكة الضوئية السلبية؟
الشبكة الضوئية المنفعلة (PON) هي شبكة ألياف ضوئية تستخدم طوبولوجيا من نقطة إلى عدة نقاط (P2MP) ومقسمات بصرية لتوصيل البيانات من نقطة إرسال واحدة إلى نقاط نهاية متعددة للمستخدم. يشير السلبي، في هذا السياق، إلى الحالة غير المزودة بالطاقة للألياف ومكونات التقسيم/الدمج.
وعلى النقيض من الشبكة الضوئية النشطة، تكون الطاقة الكهربائية مطلوبة فقط عند نقاط الإرسال والاستقبال، مما يجعل PON فعالاً بطبيعته من وجهة نظر تكلفة التشغيل. تُستخدم الشبكات الضوئية المنفعلة لنقل الإشارات في وقت واحد في الاتجاهين العلوي والسفلي من وإلى نقاط نهاية المستخدم.
مكونات وأجهزة الشبكة الضوئية السلبية
تعتبر الألياف الضوئية والمقسمات بمثابة اللبنات الأساسية "السلبية" لـ PON، دون الحاجة إلى طاقة كهربائية. المقسمات الضوئية (دائرة الموجة الضوئية المستوية) ليست انتقائية للطول الموجي وتقوم ببساطة بتقسيم أي أطوال موجية ضوئية في اتجاه المصب، وبطبيعة الحال يؤدي تقسيم الإشارة الضوئية إلى فقدان الطاقة الذي يعتمد على عدد الطرق التي يتم بها تقسيم الإشارة. لا تتطلب المقسمات أي تبريد أو صيانة مستمرة أخرى متأصلة في مكونات الشبكة النشطة (مثل مكبرات الصوت الضوئية) ويمكن أن تستمر لعقود إذا تركت دون إزعاج.
بالإضافة إلى المكونات السلبية، يلزم وجود أجهزة طرفية نشطة لإنشاء شبكة PON بالكامل.
تعد محطة الخط البصري (OLT) نقطة البداية للشبكة الضوئية المنفعلة. وهو متصل بمحول أساسي من خلال موصلات Ethernet. تتمثل الوظيفة الأساسية لـ OLT في تحويل الإشارات وتأطيرها وإرسالها لشبكة PON وتنسيق تعدد إرسال محطة الشبكة الضوئية (ONT) للإرسال المنبع المشترك.
نصائح:
قد ترى أيضًا أن أجهزة المستخدم النهائي يشار إليها باسم وحدة الشبكة الضوئية (ONU)، وهذا ببساطة اختلاف في المصطلحات بين هيئتي المعايير الرئيسيتين، ITU-T (الاتحاد الدولي للاتصالات - قطاع تقييس الاتصالات) الذي يستخدم ONT وIEEE (معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات) الذين يستخدمون ONU، المصطلحان قابلان للتبادل بشكل فعال ولكنهما يعتمدان على خدمة PON والمعايير المستخدمة.
ONT هو الجهاز الذي يعمل بالطاقة لنظام الشبكة الضوئية المنفعلة في الطرف المقابل (المستخدم) للشبكة ويتضمن منافذ إيثرنت للاتصال بالجهاز المنزلي أو الشبكة.
هندسة الشبكة الضوئية السلبية
تتبنى شبكات PON بنية من نقطة إلى عدة نقاط (P2MP) التي تستخدم المقسمات الضوئية لتقسيم إشارة المصب من OLT واحد إلى مسارات متعددة للمصب إلى المستخدمين النهائيين، وتجمع نفس المقسمات بين المسارات المنبع المتعددة من المستخدمين النهائيين إلى OLT.
تم اختيار نقطة إلى عدة نقاط باعتبارها بنية PON الأكثر قابلية للتطبيق لشبكات الوصول الضوئية مع الكفاءات الكامنة في مشاركة الألياف والاستهلاك المنخفض للطاقة. تم توحيد هذه البنية في عام 1998 من خلال مواصفات ATM-PON G.983.1.
اليوم، حل معيار ITU-T G.984 الخاص بـ G-PON محل معيار ATM، نظرًا لأن وضع النقل غير المتزامن (ATM) لم يعد مستخدمًا.
آلية PON المصب TDM
يتم تخصيص فترات زمنية للمستخدم، وخلال هذه الأوقات، يمكنهم نقل بياناتهم من الأجهزة الطرفية البعيدة.
آلية PON Upstream TDM
تبدأ شبكة PON بمحطة الخط البصري (OLT) في موقع مصدر مزود الخدمة المعروف عادةً باسم Local أو CO (المكتب المركزي)، أو يشار إليه أحيانًا باسم التبادل أو الواجهة الرئيسية. من هناك، يتم توجيه كابل تغذية الألياف الضوئية (أو ألياف التغذية) إلى جهاز تقسيم سلبي، بالإضافة إلى ألياف احتياطية في حالة استخدام واحد. يتم بعد ذلك توصيل ألياف التوزيع من الفاصل إلى محطة الإسقاط، والتي يمكن وضعها في خزانة الشارع أو في مبيت متين مثبت في حفرة، أو على عمود التلغراف أو حتى على جانب المباني. تقوم الألياف المسقطة بعد ذلك بتوفير الاتصال النهائي من منفذ طرفي إلى المستخدم النهائي ONT/ONU. في بعض الحالات، يتم استخدام أكثر من مقسم واحد على التوالي، ويشار إلى ذلك باسم بنية المقسم المتتالية.
يمكن تقسيم الإشارات المحمولة على ألياف التغذية لتوفير الخدمة لما يصل إلى 128 مستخدمًا مع ONU أو ONT لتحويل الإشارات وتزويد المستخدمين بإمكانية الوصول إلى الإنترنت. يُعرف عدد الطرق التي يتم بها تقسيم أو تقسيم إشارة OLT النهائية قبل الوصول إلى المستخدم النهائي باسم نسبة التقسيم أو الانقسام (على سبيل المثال 1:32 أو 1:64).
في التكوينات الأكثر تعقيدًا حيث يتم بث فيديو RF بالتوازي مع خدمة بيانات PON أو تتواجد خدمات PON إضافية على نفس شبكة PON، تُستخدم المضمِّمات المنفعلة (MUX) في المكتب المركزي/المحلي لدمج الطول الموجي لتراكب الفيديو والأطوال الموجية الإضافية لخدمة PON على ألياف تغذية OLT الصادرة.
تشغيل الشبكة الضوئية السلبية
الابتكار الذي يعد جزءًا لا يتجزأ من عملية PON هو تعدد الإرسال بتقسيم الموجة (WDM)، المستخدم لفصل تدفقات البيانات بناءً على الطول الموجي (اللون) لضوء الليزر. يمكن استخدام طول موجي واحد لنقل البيانات النهائية بينما يتم استخدام طول موجي آخر لنقل البيانات الأولية. تختلف هذه الأطوال الموجية المخصصة اعتمادًا على معيار PON المستخدم ويمكن أن تكون موجودة في نفس الوقت على نفس الألياف.
يعد الوصول المتعدد بتقسيم الزمن (TDMA) تقنية أخرى تستخدم لتخصيص عرض النطاق الترددي الأولي لكل مستخدم نهائي لفترة زمنية محددة، والتي تتم إدارتها بواسطة OLT، مما يمنع تصادم الطول الموجي/البيانات في مقسمات PON أو OLT بسبب نقل بيانات ONT/ONU المتعددة إلى المنبع في نفس الوقت. ويشار إلى هذا أيضًا باسم الإرسال في وضع الاندفاع لـ PON المنبع.
أنواع خدمة PON
منذ طرحها في التسعينيات، استمرت تقنية PON في التطور وتشكلت تكرارات متعددة لطوبولوجيا شبكة PON. لقد أفسحت معايير الشبكة الضوئية المنفعلة الأصلية، APON وBPON، المجال تدريجيًا لفوائد النطاق الترددي والأداء العام للإصدارات الأحدث.
تطبيقات بون
يشار أحيانًا إلى PON باسم "الميل الأخير" بين الموفر والمستخدم، أو الألياف إلى x (FTTx) حيث يشير "x" إلى المنزل (FTTH)، أو المبنى (FTTB)، أو المبنى (FTTP) أو أي موقع آخر، اعتمادًا على مكان انتهاء الألياف الضوئية. حتى الآن، كان توصيل الألياف إلى المنزل (FTTH) هو التطبيق الرئيسي لـ PON.
إن البنية التحتية المنخفضة للكابلات (لا توجد عناصر نشطة) وسمات نقل الوسائط المرنة للشبكات الضوئية المنفعلة جعلتها مناسبة تمامًا للإنترنت المنزلي وتطبيقات الصوت والفيديو. مع استمرار تحسن تقنية PON، توسعت التطبيقات المحتملة أيضًا.
يستمر طرح 5G، وقد وجدت شبكات PON تطبيقًا جديدًا مع 5G fronthaul. الواجهة الأمامية هي الاتصال بين وحدة التحكم في النطاق الأساسي ورأس الراديو البعيد في موقع الخلية.
نظرًا لمتطلبات النطاق الترددي وزمن الوصول التي تفرضها شبكات الجيل الخامس، فإن استخدام شبكات PON لإكمال الاتصالات الأمامية يمكن أن يقلل من عدد الألياف ويحسن الكفاءة دون المساس بالأداء. بنفس الطريقة التي يتم بها تقسيم إشارة المصدر بين مستخدمي FTTH، يمكن توزيع الإشارة من وحدات النطاق الأساسي إلى مجموعة من رؤوس الراديو البعيدة.
تشمل التطبيقات الإضافية المناسبة تمامًا للشبكات الضوئية المنفعلة حرم الجامعات وبيئات الأعمال. بالنسبة لتطبيقات الحرم الجامعي، تنتج شبكات PON مزايا ملحوظة فيما يتعلق بالسرعة واستهلاك الطاقة والموثوقية ومسافات الوصول ولكن في الغالب تكلفة البناء/النشر والتشغيل المستمر.
يتيح PON تكامل وظائف الحرم الجامعي مثل إدارة المباني والأمن ومواقف السيارات مع انخفاض المعدات المخصصة والكابلات وأنظمة الإدارة. وبالمثل، يمكن لمجمعات الأعمال المتوسطة والكبيرة الحجم أن تجني فوائد فورية من تنفيذ PON، مع انخفاض تكاليف التركيب والصيانة التي تؤثر بشكل مباشر على النتيجة النهائية.
فوائد الشبكات الضوئية السلبية
الاستخدام الفعال للطاقة
المزايا الكامنة في نشر PON وفيرة. وأهم هذه الفوائد هو نقص الطاقة اللازمة لشبكة الوصول. نظرًا لأن الطاقة مطلوبة فقط عند المصدر وأطراف الاستقبال للإشارة، فإن هناك مكونات كهربائية أقل في النظام، مما يقلل من متطلبات الصيانة وفرص أقل لفشل المعدات التي تعمل بالطاقة.
بنية أساسية مبسطة وسهولة الترقية
تلغي البنية السلبية أيضًا الحاجة إلى خزانات الأسلاك أو البنية التحتية للتبريد أو الإلكترونيات المتوسطة. مع تطور التكنولوجيا، تحتاج أجهزة نقطة النهاية (OLT، ONT/ONU) فقط إلى الترقية أو الاستبدال، حيث تظل البنية التحتية للألياف الضوئية والمقسم ثابتة.
الاستخدام الفعال للبنية التحتية
يحتاج جميع المشغلين إلى الحصول على أكبر قدر ممكن من البنية التحتية الجديدة أو الحالية والحصول على سعة الخدمة عبر مساحة الشبكة الحالية. يمكن أن تتعايش معايير PON المختلفة جنبًا إلى جنب مع خدمات مثل RF over Glass (RFoG) أو تراكب فيديو RF على نفس PON لتقديم خدمات متعددة (تشغيل ثلاثي) واكتساب المزيد من النطاق الترددي عبر نفس الألياف.
سهولة الصيانة
الشبكات النحاسية التي يتم استبدالها بـ PON معرضة بشدة للتداخل الكهرومغناطيسي والضوضاء. كونها بصرية، فإن شبكات PON ليست عرضة لمثل هذا التداخل وتحافظ على سلامة الإشارة بشكل جيد على المسافة المخططة. في شبكة PON، نحتاج بشكل أساسي إلى الاهتمام بما إذا كانت الأجهزة النشطة (ONT وONU وOLT) تدير التوقيت ونقل الإشارة بشكل صحيح وما إذا كانت المكونات السلبية لا تسبب الكثير من فقدان الإشارة (التوهين البصري). من السهل رؤية الخسارة، ومن السهل تحديد سبب عناصر PON، مما يسهل صيانة هذه الشبكات واستكشاف أخطائها وإصلاحها.
حدود الشبكات الضوئية السلبية
مسافة
على الرغم من الفوائد العديدة، هناك عيوب محتملة للشبكات الضوئية المنفعلة بالمقارنة مع الشبكات الضوئية النشطة. يقتصر نطاق PON على ما بين 20 إلى 40 كم، بينما قد يصل مدى الشبكة الضوئية النشطة إلى 100 كم.
الوصول للاختبار
يمكن أن يكون استكشاف الأخطاء وإصلاحها أمرًا صعبًا في بعض الظروف، حيث يمكن نسيان الوصول للاختبار أو تجاهله عند تصميم PON ويجب أن تسمح أدوات الاختبار باستكشاف الأخطاء وإصلاحها أثناء الخدمة دون تعطيل الخدمة للمستخدمين النهائيين الآخرين على نفس PON. في حالة وجود وصول للاختبار، فيمكن إجراء الاختبار باستخدام حل اختبار محمول أو مركزي باستخدام الطول الموجي خارج النطاق مثل 1650 نانومتر لتجنب أي تصادم مع أطوال موجات PON الحالية. عندما لا يتم التخطيط للوصول للاختبار، يجب الحصول على الوصول من نقطة نهاية واحدة أو أخرى عند OLT أو ONT، أو يجب إخراج قسم من PON من الخدمة مؤقتًا.
قابلية التعرض العالية للانهيار في خط التغذية أو OLT
نظرًا لبنية P2MP، فإن خط التغذية وخدمة OLT متعدد المستخدمين النهائيين (من المحتمل أن يصل عددهم إلى 128). هناك القليل من التكرار، وفي هذه الحالة، عند قطع الألياف بشكل عرضي أو خلل في OLT، يمكن أن يكون انقطاع الخدمة واسع النطاق.
وبشكل عام، فإن الفوائد الكامنة في الشبكات البصرية المنفعلة تفوق هذه القيود بشكل كبير.
مع استمرار تحسن تقنية PON، أصبحت المزايا الاستراتيجية والاقتصادية لنشر PON أكثر إلحاحًا. تشمل التحديات التي يواجهها مصممو الأجيال القادمة قدرة نطاق محسنة ونسب تقسيم أعلى لتقليل نفقات الكابلات بشكل أكبر. ستساعد هذه التحسينات، جنبًا إلى جنب مع السرعات التي تصل الآن إلى 10 جيجابت في الثانية وما بعدها، على مواصلة توسيع الشبكات الضوئية السلبية في المدن الذكية والجامعات والمستشفيات والشركات التي تشكل عالم الغد المتصل.