گزارش سمینار جایگاه فیبر و ادوات نوری در شبکه مخابراتی نسل آینده ( NGN )

سمینار کارشناسی ارشد مخابرات- موج

چکیده

در این گزارش جایگاه فیبر و ادوات نوری را در شبکه‌ های مخابراتی نسل آینده بررسی می‌کنیم. ابتدا شبکه‌های نسل آینده، معماری، مشخصات و اجزا آن را شرح می‌دهیم سپس تجهیزات NGN و نقش مهم تکنولوژی فیبر نوری را در این شبکه‌ها عنوان می‌کنیم.

کلمات کلیدی:

NGN, Optical Fibre, Gateway, Switching, WDM, DWDM, PSTN

- مقدمه

امروزه شبکه‌های عمومی به دلایل متفاوتی ناهمگن هستند. مشتریان به خدماتی همانند صوت داده و ویدئو نیاز دارند و از وسایل متفاوتی نظیر نوت بوک‌ها، PDAها، تلفنهای سلولار، دوربینهای ویدیویی و غیره استفاده می‌شود. بنابراین رنج وسیعی از وسایل سیار و ثابت پدیدار می‌شود.

ازدیدگاه مشتری ناهمگن بودن شبکه غیرقابل درک است. درگذشته شبکه‌های متفاوتی برای پاسخ به این نیازهای متنوع توسط فراهم‌کننده‌های سرویس ساخته شده است که هر یک برای یک نیاز ویژه بهینه شده بودند. برای مثال PSTN برای خدمات صوتی، شبکه Ip برای خدمات اینترنت (Web) و شبکه داده مبنی بر سوئیچ برای خدمات ATM و Frame relay و هم چنین شبکه‌های ویژه‌ای برای یک کاربرد خاص نظیر کنفرانس ویدیویی طراحی شده بودند [3] [1].

این گزارش براوردی از شبکه‌های نسل آینده، فواید NGN و همچنین نقش مهم تکنولوژی انتقال فیبر نوری را که اخیراً توسعه داده شده است را ارائه می‌کند. تکنولوژی DWDM دسترسی به NGN را میسر می‌سازد. خدمات NGN مبنی بر سوییچینگ پیشرفته با یک سطح کنترل یکپارچه خواهد بود. در فصل 2 تعریفی از NGN ارائه و معماری و اجزا اصلی آن معرفی می‌شود در فصل سوم اتصالهای متقابل نوری و فوتونی بررسی می‌شود. در فصل چهارم فیبرها و ظرفیت‌ آنها در شبکه NGN، اجزا ارسال سیستم انتقال فیبر نوری و درنهایت برد فیبرهای موجود بررسی می شود. انتخاب معماری شبکه عنوان فصل 5 می‌باشد در این قسمت سه معماری شبکه مختلف معرفی می‌شود شبکه Shared Ip-Only ، شبکه مرکب و شبکه فیبر. و در فصل 6 به dark fibre ها پرداخته می‌شود و نگاهی به تکنولوژیهای موجود و آینده، تکنولوژیهای فیبر و سوییچینگ نوری آخرین فصل این گزارش به شمار می‌آید.

2- بررسی اجمالی NGN

2-1- NGN چیست؟

تعریف واحد و پذیرفته شده‌ ای از NGN[1] وجود ندارد و در حال حاضر عبارت مبهمی است. تعاریف ارائه شده از NGN نسبتاً گسترده هستند. سازمانهایی مثل ETSI و ITU-T[2] مشخصات اصلی NGN را معرفی کرده اند. به عنوان مثال NGN;ITU-T را به عنوان شبکه‌ای مبتنی بر بسته[3] تعریف کرده است، که خدماتی شامل سرویسهای ارتباطی، توانایی استفاده از پهنای باند چندگانه[4] و کیفیت سرویس[5] که برای تکنولوژیهای انتقال تهیه شده است را فراهم می‌کند. عموماً NGN به عنوان all IP یا شبکه‌های مجتمع مبتنی بر بسته با مشخصاتی که درجدول (2-1) نشان داده شده است بیان می‌شود. NGN به تنهایی مشخصات شبکه را پوشش نمی‌دهد اما مشخصات سرویس آن فرصتهای جدیدی را برای اپراتورهای شبکه، فراهم کننده‌های سرویس،[6] تولید کننده‌های ارتباطات و کاربرها فراهم می‌کند [1].

جدول (2-1) مشخصات اصلی  NGN[1]

(جدول در فایل اصلی موجود است)

all Ip یا شبکه مبتنی بر بسته

بیشتر کارشناسان معمولاً NGN را به عنوان یک شبکه چندسرویسی[7] مبنی بر تکنولوژی Ip می‌شناسند.

NGN مانند یک شبکه Ip مجتمع می‌تواند برای ارتباطات بی‌سیم و با سیم انواع ترافیک یا برنامه‌های کاربردی را روی شبکه‌های مبتنی بر بسته بکار گیرد. در مجموع، بسیاری از کارشناسان استدلال می‌کنندکه NGN در ده سال آینده جایگزین مدار رایج مبنی بر PSTN[8] خواهد شد.

خدمات کاربردی مجزا از شبکه انتقال

NGN یک معماری باز[9] بوسیله برنامه های کاربردی و شبکه‌های مجزا فراهم می‌کند و به آنها اجازه می‌دهد به صورت جداگانه ارائه شوند و برنامه‌های کاربردی می توانند مستقلاً صرف‌نظر از نوع شبکه‌ای که استفاده می‌شود توسعه پیدا کنند. با یک معماری باز استانداردسازی به طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا می‌کند اما به کاربران شبکه اجازه می دهد که بهترین محصولات موجود را انتخاب کنند و یک برنامه کاربردی جدید می‌تواند در یک مدت زمان خیلی کوتاهتر نسبت به PSTN و ISDN[10] اجرا شود.

شرکتهایی که وسایل یا تجهیزات کامپیوتری را تولید کرده و به فروش می‌رسانند،[11] می‌توانند برنامه های کاربردی و سرویسها را برای کاربران نهایی توسعه دهند. فراهم‌کننده‌های سرویس می‌توانند یک یا چند برنامه کاربردی را داخل یک سرویس بسته‌بندی کنند یا برنامه‌های کاربردی می‌توانند بوسیله کاربران روی یک پایه نظیر به نظیر مورد استفاده قرار گیرند.

شبکه‌های مجتمع یا همگرا شده

شبکه‌های مجزا وسایل مورد نیاز جداگانه‌ای را برای خدمات ویدئو، داده و صوت استفاده می‌کنند. NGN انواع متفاوتی از برنامه‌ها را درون بسته‌ها تغییر شکل داده و بطور همزمان تحویل می‌دهد. ارتباط بین NGN و شبکه‌های موجود از قبیل PSTN، ISDN و GSM[12] می‌تواند بوسیله پل‌های ارتباطی[13] فراهم شود.

شبکه موجود در همه جا

NGN به کاربران اجازه تحرک گسترده و دستیابی یکپارچه به انواع برنامه‌های کاربردی با کیفیت یکسان را در هر ناحیه جغرافیایی می‌دهد. ارتباطات کشتیرانی و برج مراقبت امکان پشتیبانی از انتقال، تجارت و نیازهای اوقات فراغت را در هر وضعیت که کاربر انتخاب می‌کند، امکانپذیر می‌کند.

توزیع هوشمندی شبکه

در صورتیکه PSTN رایج، مبنی برشبکه هوشمند و پایانه‌های نامفهوم (پایانه‌ای که شامل ریز پردازنده داخلی نباشد) است، NGN شبکه‌ای هوشمند و پایانه‌های هوشمند دارد. در این محیط شبکه، فراهم‌کننده‌های سرویس به آسانی انواع متفاوتی از سرویسها را بدون نیاز به تجهیزات سنگین شبکه فراهم می‌کنند.

2-2- معماری NGN

یک نمایش از معماری شبکه NGN می‌تواند به روشن شدن ساختار واجزا آن کمک کند. شکل (2-1) یک تصویر کلی از معماری NGN را نشان می‌دهد. در این شکل پایانه‌های بی‌سیم و با سیم با back bone شبکه انتقال از طریق سطح[14] دسترسی متصل هستند و دیگر سطوح از قبیل سرویس، انتقال و شبکه‌های دسترسی بوسیله سطح کنترل، کنترل می‌شوند.

چنانکه در شکل مشاهده می‌کنید سطح سرویس می‌تواند بوسیله واسطه‌های استاندارد شده و باز از سطح دسترسی و انتقال جدا باشد. NGN می‌تواند با شبکه‌های دیگر از قبیل PSTN از طریق پلهای ارتباطی که اجازه گرفتن گردش هر نوع داده را به طور یکپارچه از میان شبکه‌های متفاوت می‌دهند، متصل شود [1].

شکل (2-1) معماری NGN [1]

2-3- اجزا اصلی NGN

معماری NGN علاوه بر تجهیزات صوتی و داده‌ای قدیمی شامل انواع تجهیزات شبکه همگرا شده از قبیل کنترل‌کننده‌های تماس/ مدت زمان ارتباط دو کامپیوتر،[15] پل‌های ارتباطی رسانه،[16] پل‌های ارتباطی سیگنالینگ،[17] سرویس‌دهنده‌های ویژگی،[18] سرویس‌دهنده‌های برنامه،[19] سرویس‌دهنده‌های رسانه،[20] سرویس‌دهنده‌های مدیریت[21] و واسطه‌های صدور صورتحساب و عرضه نمودن سرویس مخابرات به یک کاربر که شامل وسایل انتقال و کابل کشی نیز می‌باشد، است. تکنولوژیهای هسته شامل تکنولوژی انتقال بسته، پروتکل کنترل مهندسی ترافیک، تکنولوژی که کیفیت سرویس را ضمانت می‌کند از قبیل MpLs[22]، تکنولوژی ارتباطات چند قسمتی از قبیل پخش بلادرنگ چند مقصدی پیام،[23] تکنولوژی کنترل جلسه و غیره است.

Soft Switch

Soft Switch یک کنترل کننده  تماس/ مدت زمان ارتباط دو کامپیوتر، نیز نامیده می‌شود و یکی از اجزا هسته NGN است. بدلیل اینکه انواع کاربردها از قبیل صوت و سرویس‌های دیگری که اضافه می‌شوند تا  ارزش انتقال افزایش یابد را کنترل می‌کند. Soft Switch یک وسیله کنترل مبنی بر نرم افزار است که کنترل تماس بین پروتکلهای NGN از قیبل MGCP[24]، SIP[25]، H.232 و پروتکلهای تکنولوژی قدیمی مانند ISDN و SS7 را میسر می‌سازد. هم چنین با سرویس‌دهنده‌های برنامه برای تهیه، توابع / برنامه‌های کاربردی که مستقیماً روی Soft Switch وجود ندارد در ارتباط است. یکی از نقش‌های Softswitch، واسطه PSTN است که بوسیله سیستمهای سیگنالینگ انجام می‌شود [1] [3].

Gateway 

یک پل ارتباطی یک نقطه شبکه است که به عنوان یک دروازه دخول در شبکه دیگر عمل‌ می‌کند. برای ارتباط با شبکه‌های دیگر سه نوع پل ارتباطی وجود دارد:Signalling gateway , Access gateway, Trunking gateway که در شبکه فراهم کننده سرویس قرار داده می‌شوند.

Application Server

سرویس دهنده برنامه کاربردی در شبکه فراهم‌کننده سرویس قرار داده می‌شود و سرویس منطقی و اجرایی برای سرویسها و برنامه‌های کاربردی که مستقیماً روی Soft Switch وجود ندارند فراهم می‌کند. به طور برجسته SoftSwitch تماسهای سرویس‌دهنده برنامه مناسب را زمانی که یک برنامه کاربردی تقاضا می‌شود مسیریابی می‌کند. در مجموع کارگزار سرویس در لبه شبکه فراهم‌کننده سرویس قرار داده می‌شود و توزیع سرویس و کنترل بین سرویس‌دهنده‌های برنامه کاربردی و Soft Switch را فراهم می‌کند. در شکل (2-2) اجزا اصلی NGN و نقش‌آنها خصوصاً نقش Softswitch را در این شبکه مشاهده می‌کنید.

شکل (2-2) نقش soft Switch در  NGN[3]

3- تجهیزات سوییچینگ

بعضی از مهمترین شبکه‌های باند پهن[26] جدید اتصالهای متقابل[27] هستند و اغلب اوقات به سوییچها منصوب می‌شوند.

کار اصلی اتصالهای متقابل تهیه پهنای باند انعطاف پذیر و مدیریت اتصال برای فراهم‌کننده‌های شبکه می‌باشد.

اتصالهای متقابل به سه دسته تقسیم می‌شوند.

1- اتصالهای متقابل دیجیتالی / الکتریکی (DXC/EXC)

وسایلی که برای دریافت، پردازش و ارسال داده در حوزه الکتریکی عمل می‌کنند که همان اتصالهای متقابل SDH[28] / SONET[29] قدیمی با واسطه‌ های مسی هستند.

2- اتصالهای متقابل نوری (OXC)

اتصالهای متقابل دیجیتالی مجهز شده با واسطه‌های نوری هستند و بیشتر اوقات به عنوان سوییچهای

O-E-O  (Optical – Electrical- Optical) استفاده می‌شوند. این اتصالها برای بیشتر مشتریها بطور گسترده موجود می‌باشند. شکل (3-1) اتصالهای متقابل الکتریکی و نوری را نشان می‌دهد.

(شکل در فایل اصلی موجود است)

شکل (3-1) اتصالهای متقابل الکتریکی و نوری [4]

3- اتصالهای متقابل فوتونی (PXC)

تجهیزاتی که برای دریافت، پردازش و ارسال داده در حوزه نوری عمل کرده و اغلب اوقات به عنوان سوییچهای O-O-O (Optical – Optical – Optical) استفاده می‌شوند. تعداد کمی از فروشنده‌ها این اتصالها را تولید می‌کنند.

3-1- اتصال های متقابل نوری

اکثر OXC ها وسایلی پیچیده هستند که توانایی کارکردن مثل اتصالهای متقابل SONET/SOH، بعلاوه سوییچهای ATM[30] و اترنت،[31] گیگابیت اترنت با VLAN[32]ها، Cos[33] و دیگر پروتکلهای خاص را دارند.به دلیل اینکه واسطهای باند پهن نوری هستند به این دلیل به این اتصالهای متقابل نوری می‌گوئیم بدین معنی که اتصال به وسایل دیگر از طریق فیبر نوری می‌باشد اما پردازش اصلی در حوزه الکتریکی انجام می‌‌شود. برای توسعه، OXC ها می‌توانند چندین واسطه الکتریکی (‌مسی ) شامل فست اترنت[34] و گیگابیت اترنت روی مس داشته باشند.اتصالهای متقابل نوری برای پردازش سریع سیگنالهای دریافتی با نرخ بیت بالا، سوییچینگ پرسرعت تا 640 گیگابایت برثانیه و بالاتر ASIC[35] های توسعه داده نشده را استفاده می‌کنند.

3-2- اتصالهای متقابل فوتونی

PXC ها بطور کلی با OXC ها متفاوت هستند. مهمترین تفاوت بین یک OXC و یک PXC در پردازش داده در حوزه الکتریکی و تبدیل آن به حوزه نوری در خروجی واسطه هنگامیکه در PXC ها سیگنال در حوزه نوری است می‌باشد. مبدلهای چندگانه برای PXC ها: بیشتر وسایل با تجهیزات انتقال مجتمع نیستند و بنابراین به یک سیستم DWDM[36] در انتهای فیبر نیاز دارند که سبب برگشت طول موجهای مختلف توسط فرستنده/ گیرنده به حوزه الکتریکی می‌شود در سایر PXC ها هر پورت معین روی سوییچ به یک زوج فیبر وصل می‌شود این اتصالهای متقابل طول موجهای موجود در فیبر را به صورت نوری از هم جدا کرده و به یک پورت خروجی مطلوب سوییچ می‌کند. سپس آنها دوباره دسته بندی شده و روی فیبر خروجی مربوط به آن پورت فرستاده می‌شوند. بنابراین پایانه‌های DWDM و الکترونیکی در مسیر وجود ندارد در نتیجه سگینالها همیشه درحوزه نوری باقی می‌مانند. یک سری مشکلات در استفاده از PXC ها در شبکه‌های نوری چند لا مبدا[37] وجود دارد در این گزارش چند لامبدا یعنی شبکه‌ای که با تجهیزات DWDM ساخته شده و روی هر اتصال کانالهای نوری موازی چند گانه وجود دارد. در بعضی از نقاط شبکه برای مسیریابی طول موج به منظور تهیه انعطاف پذیری بهتر باید از PXC ها استفاده شود [2]