إلى أي مدى يمكن تشغيل كابل الألياف الضوئية؟ وأوضح حدود المسافة

كابلات الألياف الضوئية يمكن تشغيلها من أي مكان 2 كيلومتر إلى أكثر من 100 كيلومتر بدون تجديد الإشارة، حسب نوع الكابل والتطبيق. تدعم الألياف أحادية الوضع (SMF) مسافات تصل إلى 40-100 كيلومتر للتطبيقات القياسية، في حين تقتصر الألياف متعددة الأوضاع (MMF) عادةً على 300 متر إلى 2 كيلومتر . تعتمد المسافة الفعلية على عوامل تشمل نوع الألياف والطول الموجي ومعدات الشبكة ومتطلبات جودة الإشارة.

قدرات المسافة الألياف أحادية الوضع

تم تصميم الألياف أحادية الوضع للإرسال لمسافات طويلة وتمثل العمود الفقري لشبكات الاتصالات في جميع أنحاء العالم. يسمح قطره الأساسي الصغير (8-10 ميكرون) للضوء بالسفر في مسار واحد، مما يقلل من تشتت الإشارة ويتيح الوصول الاستثنائي.

التطبيقات القياسية أحادية الوضع

بالنسبة لعمليات نشر الشبكة النموذجية، تحقق الألياف أحادية الوضع المسافات التالية:

• 1000BASE-LX (1 جيجابت في الثانية): ما يصل إلى 10 كيلومترات باستخدام البصريات القياسية، ويمكن تمديده حتى 40 كيلومترًا باستخدام الوحدات المحسنة
• 10GBASE-LR (10 جيجابت في الثانية): نطاق قياسي يبلغ 10 كيلومترات، ويصل مدى 10GBASE-ER إلى 40 كيلومترًا
• 40GBASE-LR4 و100GBASE-LR4: 10 كيلومترات لربط مراكز البيانات عالية السرعة
• المتغيرات بعيدة المدى (ER/ZR): 40-80 كيلومترًا للشبكات الحضرية والإقليمية

حلول المدى الممتد

وباستخدام المعدات المتخصصة، يمكن للألياف أحادية الوضع أن تمتد لمسافات أكبر. تقوم أنظمة تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM) بإرسال الإشارات بشكل روتيني أكثر من 1000 كيلومتر باستخدام أطوال موجية متعددة ومكبرات صوتية. تستخدم الكابلات البحرية التي تربط القارات أليافًا أحادية الوضع لتمتد 10.000 كيلومتر عبر قاع المحيط، مع وضع أجهزة إعادة الإرسال كل 50 إلى 100 كيلومتر لتجديد الإشارة.

قيود مسافة الألياف المتعددة الأوضاع

تتميز الألياف متعددة الأوضاع بقطر أساسي أكبر (50 أو 62.5 ميكرون) يسمح بانتشار أوضاع الإضاءة المتعددة في وقت واحد. في حين أن هذا يجعل العمل أسهل وأقل تكلفة لمسافات قصيرة، فإنه يخلق تشتتًا مشروطًا يحد بشكل كبير من نطاق الإرسال.

النمط واضح: مع زيادة معدلات البيانات، تنخفض إمكانيات المسافة المتعددة الوسائط. ل تطبيقات 40 و100 جيجابت في الثانية ، حتى أحدث ألياف OM5 يقتصر على 100-150 مترًا، مما يجعلها مناسبة فقط لبيئات مراكز البيانات حيث توجد المعدات على مقربة.

العوامل التي تؤثر على مسافة الإرسال

ميزانية الطاقة الضوئية

تمثل ميزانية الطاقة الضوئية مقدار فقدان الإشارة الذي يمكن للنظام تحمله بين المرسل والمستقبل. قد يرسل جهاز الإرسال والاستقبال النموذجي في -3 ديسيبل وتتطلب الحد الأدنى من القوة المستلمة -20 ديسيبل ، مما يوفر ميزانية طاقة تبلغ 17 ديسيبل. يستهلك كل موصل ووصلة وعداد كابل جزءًا من هذه الميزانية من خلال فقدان الإدخال والتوهين.

اختيار الطول الموجي

تواجه الأطوال الموجية المختلفة معدلات توهين مختلفة في الألياف. تشمل الأطوال الموجية الأكثر شيوعًا وخصائصها ما يلي:

• 850 نانومتر: يستخدم في الألياف متعددة الأوضاع، التوهين 2.5-3.5 ديسيبل/كم، أقصر مدى
• 1310 نانومتر: شائع للوضع الفردي، التوهين 0.35-0.5 ديسيبل/كم، جيد للمسافات المتوسطة
• 1550 نانومتر: مفضل للمسافات الطويلة، التوهين 0.2-0.25 ديسيبل/كم، يتيح أقصى قدر من الوصول

جودة الكابل وتركيبه

تؤدي ممارسات التثبيت السيئة إلى تقليل المسافة الفعالة بشكل كبير. الانحناءات الدقيقة من نصف قطر الانحناء الضيق والضغط على الموصلات والتلوث على نهايات الألياف يمكن أن يضيف 0.5-3 ديسيبل من الخسارة لكل نقطة اتصال. قد يصل الكابل الذي يبلغ طوله 10 كيلومترات إلى 5 كيلومترات فقط إذا تم تركيبه بإهمال مع العديد من الوصلات عالية الفقد.

آثار التشتت

يؤدي التشتت اللوني إلى انتقال أطوال موجية مختلفة بسرعات مختلفة قليلاً، مما يؤدي إلى نشر النبضات عبر مسافات طويلة. في الألياف أحادية الوضع عند 1550 نانومتر، يكون التشتت اللوني تقريبًا 17 ملاحظة/(نانومتر·كم) . بالنسبة لإشارة بسرعة 10 جيجابت في الثانية لمسافة تزيد عن 80 كم، يمكن أن يتسبب ذلك في توسيع النبض بشكل كبير، مما يتطلب وحدات تعويض التشتت للحفاظ على سلامة الإشارة.

سيناريوهات التطبيق العملي

شبكات الحرم الجامعي

عادة ما يتم نشر حرم الجامعات والشركات OM3 أو OM4 الألياف المتعددة الوسائط للتوصيلات من مبنى إلى مبنى أقل من 300 متر، بتكاليف حوالي 0.50-2.00 دولار للمتر مثبتة. بالنسبة للمباني التي تفصلها مسافات أكبر، توفر الألياف أحادية النمط اتصالاً يصل إلى عدة كيلومترات بتكلفة مادية أعلى قليلاً ولكن تكلفة إجمالية أقل للملكية بشكل كبير بسبب انخفاض المتطلبات الإلكترونية.

شبكات متروبوليتان

تستخدم خدمات Metro Ethernet عادةً الألياف أحادية الوضع لتوصيل مواقع الأعمال عبر المدن. المسافات 20-40 كيلومترا هي روتينية مع البصريات القياسية، في حين 80 كيلومترا ويمكن تحقيق ذلك باستخدام أجهزة الإرسال والاستقبال ذات المدى الممتد. عادةً ما يحتفظ مقدمو الخدمة بحلقات ألياف ذات مسارات متعددة للتكرار.

ربط مراكز البيانات

تتطلب مراكز البيانات الحديثة اتصالاً عالي السرعة بين المرافق للتعافي من الكوارث وموازنة التحميل. اتصالات بسرعة 100 جيجابت في الثانية لمسافة تتراوح بين 10 و40 كيلومترًا أصبح استخدام الألياف أحادية الوضع أمرًا قياسيًا، مع تنفيذ كبار مقدمي الخدمة وصلات بسرعة 400 جيجابت في الثانية لنقاط الربط الرئيسية. غالبًا ما تستخدم هذه الأنظمة تقنية البصريات المتماسكة لزيادة السعة والوصول إلى الحد الأقصى.

الألياف إلى المنزل (FTTH)

تستخدم عمليات نشر الألياف السكنية عادةً بنيات الشبكة الضوئية المنفعلة (PON) التي تقسم أليافًا واحدة للخدمة 32-64 منزلا على مسافات تصل إلى 20 كيلومترا من المكتب المركزي. دعم أحدث معايير XGS-PON وNG-PON2 سرعات متناظرة تبلغ 10 جيجابت في الثانية مع الحفاظ على هذا النطاق، مما يوفر سعة كافية لعقود من نمو الطلب السكني.

تمتد إلى ما هو أبعد من المسافات القياسية

مكبرات الصوت الضوئية

تعمل مضخمات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFAs) على تعزيز الإشارات الضوئية دون تحويلها إلى شكل كهربائي، مما يتيح ذلك يمتد 80-120 كيلومترا بين نقاط التضخيم. يوفر EDFA النموذجي 15-25 ديسيبل من الكسب ، للتعويض عن توهين الألياف والسماح للإشارات باجتياز مقاطع متعددة. تعمل شبكات المسافات الطويلة على تتابع مكبرات الصوت المتعددة لتحقيق مسافات عابرة للقارات.

المولدات والمكررات

عندما تتدهور جودة الإشارة إلى ما هو أبعد مما يمكن أن يصححه التضخيم، تقوم أجهزة التجديد الإلكترونية بتحويل الإشارة الضوئية إلى إشارة كهربائية، وتنظيفها وإعادة توقيتها، ثم إعادة إرسالها على حامل بصري جديد. تضع أنظمة الكابلات البحرية أجهزة إعادة التوليد في كل مكان 50-100 كيلومتر في مبيتات محكمة الغلق في قاع المحيط، مع عمر تصميمي يصل إلى 25 سنة ولا توجد إمكانية للصيانة بمجرد نشرها.

تصحيح الخطأ إلى الأمام

تشتمل الأنظمة الحديثة عالية السرعة على تصحيح الأخطاء الأمامي المتطور (FEC) الذي يضيف التكرار إلى تدفق البيانات، مما يسمح للمستقبل بتصحيح أخطاء البت دون إعادة الإرسال. القرار الصعب FEC يمكن أن يمتد نطاقه بمقدار 2-3 ديسيبل، بينما قرار ناعم FEC يضيف 10-11 ديسيبل من كسب التشفير، مما قد يضاعف المسافة التي يمكن تحقيقها لأنظمة النقل المتماسكة.

اختيار الألياف المناسبة لمتطلبات المسافة الخاصة بك

يتطلب اختيار كابل الألياف الضوئية المناسب تحقيق التوازن بين الاحتياجات الحالية والمتطلبات المستقبلية وقيود الميزانية. للمسافات أقل من 300 متر في مراكز البيانات توفر الألياف متعددة الأوضاع OM4 أفضل نسبة أداء من حيث التكلفة مع أجهزة إرسال واستقبال رخيصة الثمن ومتاحة بسهولة. إن التوفير في تكلفة المواد مقابل الوضع الفردي ضئيل للغاية، لكن البصريات يمكن أن تكون مكلفة 50-70% أقل .

لأي مسافة أكثر من 500 متر أو تتطلب عمر خدمة 10 سنوات ، الألياف أحادية الوضع هي الخيار الأفضل. على الرغم من أن تكلفة أجهزة الإرسال والاستقبال أعلى في البداية، إلا أن الوضع الفردي يوفر إمكانية ترقية غير محدودة. يمكن للألياف المثبتة اليوم بسرعة 1 جيجابت في الثانية أن تدعم لاحقًا 100 جيجابت في الثانية أو أكثر ببساطة عن طريق تغيير معدات نقطة النهاية، في حين يتطلب الوضع المتعدد استبدال الكابل بالكامل.

فكر في التثبيت ألياف OS2 أحادية الوضع مع 12-24 خيطًا حتى لو كانت المتطلبات الحالية متواضعة. تعد تكلفة الكابل الإضافية صغيرة مقارنة بعمالة التركيب، كما أن وجود ألياف احتياطية يوفر الحماية ضد التلف ويتيح توسيع السعة بسهولة. في التطبيقات الحضرية والمسافات الطويلة، يعد الوضع الفردي هو الخيار الوحيد القابل للتطبيق، مع تحديد جهاز الإرسال والاستقبال المحدد لتحديد ما إذا كنت ستصل إلى مسافة 10 أو 40 أو 100 كيلومتر.