ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙ∆ΕΥΤΙΚΟ Ι∆ΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ
ΤΜΗΜΑ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗΣ
Πτυχιακή Εργασία
∆οµηµένη καλωδίωση µε οπτικές ίνες και έξυπνοι οικισµοί
Συντάκτρια: Αναγνωστοπούλου ∆έσποινα Επιβλέπων καθηγητής: Βραδέλης Ιωάννης
Καβάλα, 2011
ΠΡΟΛΟΓΟΣ
Οι οπτικές ίνες θεωρούνται η πιο σύγχρονη µορφή ταχύτατης και αξιόπιστης µετάδοσης δεδοµένων στην εποχή µας. Τα πλεονεκτήµατα που προσδίδουν στις τηλεπικοινωνίες τις καθιστούν την καλύτερη λύση στην εποχή της πληροφορίας, µε τις υψηλές απαιτήσεις για διαθέσιµο εύρος ζώνης από το µεγαλύτερο κοµµάτι του πληθυσµού. Η χρήση δοµηµένης καλωδίωσης µε οπτικές ίνες αυξάνεται συνεχώς παγκοσµίως και αναµένεται τις επόµενες δεκαετίες να αποτελέσει το κυριότερο σύστηµα τεχνολογικής οργάνωσης για κάθε σπίτι και επιχείρηση, όπου θα παρέχονται πάσης φύσεως υπηρεσίες στους πολίτες µιας κοινότητας.
Μια από τις πιο σύγχρονες εφαρµογές της δοµηµένης καλωδίωσης µε οπτικές ίνες είναι η δηµιουργία των λεγόµενων «έξυπνων οικισµών», οι οποίοι παρέχουν υπηρεσίες υγείας, εκπαίδευσης, ασφάλειας, συµµετοχής στα κοινά και πληροφόρησης στους πολίτες που ζουν και δραστηριοποιούνται στα όρια του οικισµού. Τα οφέλη είναι πολλαπλά για πολλές από τις κατηγορίες των πολιτών, οι οποίοι βελτιώνουν την ζωή τους, διεκπεραιώνουν εργασίες ταχύτερα ακόµα και από το σπίτι τους, γίνονται πιο δραστήριοι κοινωνικά και νιώθουν ασφαλέστεροι στην περιοχή που διαµένουν.
Σκοπός της παρούσης εργασίας είναι να παρουσιάσει συνοπτικά την τεχνολογία των οπτικών ινών, να αποδώσει την έννοια του έξυπνου οικισµού και να δηµιουργήσει µια εφαρµογή προσοµοίωσης της λειτουργίας ενός έξυπνου οικισµού µέσα από οπτικές ίνες. Η εργασία δοµείται στα εξής 3 κεφάλαια:
Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι τεχνολογίες των οπτικών ινών, τα είδη τους, τα πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα τους, οι εφαρµογές τους και τα πρότυπα δοµηµένης καλωδίωσης µε οπτικές ίνες που υπάρχουν σήµερα.
Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η έννοια του έξυπνου οικισµού, οι υπηρεσίες που παρέχονται στους πολίτες και ποιοι ωφελούνται, τα στάδια ανάπτυξης των οικισµών και οι εφαρµογές έξυπνων οικισµών στην Ελλάδα.
Τέλος, στο τρίτο κεφάλαιο παρουσιάζεται µια εφαρµογή που δηµιουργήθηκε για τις ανάγκες της εργασίας, η οποία προσοµοιώνει µε γεγονότα την λειτουργία ενός έξυπνου οικισµού. Η εφαρµογή δηµιουργήθηκε σε περιβάλλον CLIPS και Visual Basic.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ΠΡΟΛΟΓΟΣ ... 2
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ... 3
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ ... 5
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ ... 6
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ ... 6
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α - ∆ΙΚΤΥΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ ... 7
1. Εισαγωγή ... 7
2. Οι οπτικές ίνες ... 8
2.1. ∆οµή οπτικής ίνας ... 9
2.2. Κατασκευή οπτικής ίνας ... 10
2.3. Οπτική µετάδοση µέσα από οπτική ίνα ... 10
2.4. Είδη οπτικών ινών ... 14
3. Μετάδοση µέσω οπτικών ινών ... 16
3.1. Οπτικοί ποµποί ... 16
3.2. Οπτικοί ∆έκτες ... 17
3.3. Οπτικοί Ενισχυτές ... 18
3.4. Η τεχνική πολύπλεξης WDM ... 18
4. Πλεονεκτήµατα οπτικών ινών ... 22
5. Προβλήµατα µετάδοσης µέσω οπτικών ινών ... 23
6. Εφαρµογές οπτικών ινών... 25
7. Οπτικά δίκτυα ... 27
7.1. Ορολογία υποδοµής οπτικών δικτύων ... 27
7.2. Απαιτήσεις υποδοµής οπτικού δικτύου ... 29
8. ∆οµηµένη καλωδίωση ... 35
8.1. Υποσυστήµατα δοµηµένης καλωδίωσης ... 36
8.2. Οπτικές ίνες και δοµηµένη καλωδίωση ... 39
9. ∆ίκτυα FTTx ... 40
9.1. Η τεχνολογία FTTB ... 41
9.2. Η τεχνολογία FTTC ... 42
9.3. FTTH ... 43
9.4. Τοπολογίες δικτύων FTTx ... 46
9.5. Τεχνολογίες πρόσβασης δικτύων FTTx ... 47
9.6. Πρωτόκολλα Τεχνολογίας FTTH ... 51
9.7. Χωρητικότητα ανά Αρχιτεκτονική ... 52
9.8. Χρήστες και εφαρµογές. ... 52
9.9. Επιτυχείς πολιτικές FTTH ... 53
9.10 Ενεργός εξοπλισµός δικτύων FTTH ... 54
9.11. Οικονοµικό κόστος δικτύου FTTH ... 55
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β – ΕΞΥΠΝΟΙ ΟΙΚΙΣΜΟΙ ... 57
1. Έξυπνοι οικισµοί ... 57
2. Βασικά στάδια ανάπτυξης έξυπνου οικισµού ... 60
3. Παράγοντες ανάπτυξης έξυπνων οικισµών ... 63
3.1. Παράγοντες ηγεσίας ... 64
3.2. Πολιτικοί παράγοντες ... 65
3.3. Οικονοµικοί παράγοντες ... 66
3.4. Κοινωνικοί και πολιτισµικοί παράγοντες ... 67
4. Τεχνολογική υποδοµή έξυπνου οικισµού ... 68
5. Εφαρµογές και Υπηρεσίες Έξυπνων Οικισµών ... 70
6. Οφέλη έξυπνων οικισµών ... 72
7. Οι έξυπνοι οικισµοί στην Ελλάδα ... 73
7.1. Έξυπνος Οικισµός Αράχωβας ... 74
7.2. Έξυπνος Οικισµός Αρχανών ... 80
7.3. Έξυπνος Οικισµός Βέροιας ... 87
7.4. Έξυπνος Οικισµός Καλαµάτας ... 93
7.5. Έξυπνος Οικισµός Κοζάνης ... 98
7.6. Έξυπνος Οικισµός Ξάνθης ... 100
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ – ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΕΦΑΡΜΟΓΗΣ ... 104
1. Η προγραµµατιστική γλώσσα CLIPS ... 104
2. Προσοµοίωση έξυπνου σπιτιού ... 106
2.1 Σενάριο προσοµοίωσης ... 107
3. Γραφική παρουσίαση της προσοµοίωσης ... 115
ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ... 117
Κεφάλαιο 1... 117
Κεφάλαιο 2... 117
Κεφάλαιο 3... 120
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΣΧΗΜΑΤΩΝ
Σχήµα Α-1. Οπτική ίνα
Σχήµα Α-2. Τοµή καλωδίου οπτικής ίνας
Σχήµα Α-3. Ανάκλαση φωτός στο εσωτερικό οπτικής ίνας
Σχήµα Α-4. ∆ιάθλαση και εσωτερική διάθλαση οπτικού σήµατος Σχήµα Α-5. Λειτουργία οπτικής ίνας µέσω ανακλάσεων
Σχήµα Α-6. Μονότροπες οπτικές ίνες
Σχήµα Α-7. Πολύτροπες οπτικές ίνες διακριτού δείκτη Σχήµα Α-8. Πολύτροπες οπτικές ίνες βαθµιαίου δείκτη
Σχήµα Α-9. Πολύπλεξη µε ∆ιαίρεση Μήκους Κύµατος (WDM) Σχήµα Α-10. Πολύπλεξη ∆ιαχωρισµού Χρόνου (TDM)
Σχήµα Α-11. Πολύπλεξη µε ∆ιαίρεση Μήκους Κύµατος (WDM) Σχήµα Α-12. Γενική δοµή φυσικού δικτύου οπτικών υποδοµών Σχήµα Α-13. Σύστηµα δοµηµένης καλωδίωσης
Σχήµα Α-14. Οριζόντια καλωδίωση Σχήµα Α-15. Οπτικός κατανεµητής
Σχήµα Α-16. Τα δίκτυα της τεχνολογίας FTTx Σχήµα Α-17. Η τεχνολογία FTTB
Σχήµα Α-18. ∆ίκτυο οπτικών ινών Σχήµα Α-19. ∆ίκτυο FTTH
Σχήµα Α-20. Σύγκριση τεχνολογιών xDSL και FTTH Σχήµα Α-21. Επίπεδα τοπικού βρόχου οπτικού δικτύου Σχήµα Α-22. Αποκλειστική οπτική ίνα σε κάθε σπίτι
Σχήµα Α-23. Συνδέσεις σηµείου προς πολλαπλά σηµεία (PΜP) Σχήµα Α-24. Τοπολογία δακτυλίου
Σχήµα Α-25. Ενεργό Οπτικό ∆ίκτυο αστέρα (ΑΟΝ) Σχήµα Α-26. Παθητικό Οπτικό ∆ίκτυο αστέρα (ΡΟΝ) Σχήµα Α-27. ∆ίκτυο point-to-point και δίκτυο ΡΟΝ Σχήµα Α-28. Υπηρεσίες FTTH
Σχήµα Β-1. Έξυπνος οικισµός
Σχήµατα Β-2 και Β-3. Συστήµατα διαχείρισης κυκλοφορίας
Σχήµα Β-4. Βασική Αρχιτεκτονική δικτύου Έξυπνου Οικισµού Αράχωβας Σχήµα Β-5. Προτεινόµενες Κυψέλες του δικτύου Αράχωβας
Σχήµα Β-6. Ενδεικτικό αρχιτεκτονικό µοντέλο δικτύωσης δήµου Αρχανών Σχήµα Β-7. Η περιοχή του έξυπνου οικισµού της Βέροιας
Σχήµα Β-8: Λογική αναπαράσταση ∆ικτύου Σύνδεσης Κ∆ µε ΚΚ Σχήµα Β-9: Λογική αναπαράσταση ∆ικτύου Σύνδεσης ΚΠ µε Κ∆
Σχήµα Β-10: Αρχιτεκτονική του ∆ικτύου του Έξυπνου Οικισµού Σχήµα Β-11. Η αρχιτεκτονική του ευρυζωνικού δικτύου της Κοζάνης
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ∆ΙΑΓΡΑΜΜΑΤΩΝ
∆ιάγραµµα Α-1. Φάσµα Συχνοτήτων
∆ιάγραµµα Α-2. Κατανοµή χρηστών FTTx ανά τον κόσµο
∆ιάγραµµα Α-3. Κατανοµή κόστους ανάπτυξης δικτύου FTTH
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΕΙΚΟΝΩΝ
Εικόνα Α-1. Τηλεπικοινωνιακός θάλαµος Εικόνα Α-2. Οπτικοί κατανεµητές
Εικόνα Α-3. Συσκευή ONU
Εικόνα Α-4. Ενεργός εξοπλισµός δικτύων FTTH
Εικόνα Γ-1. Σχεδιάγραµµα του έξυπνου σπιτιού της προσοµοίωσης Εικόνα Γ-1. Αυτόµατο άναµµα/σβήσιµο φώτων 1
Εικόνα Γ-2. Αυτόµατο άναµµα/σβήσιµο φώτων 2 Εικόνα Γ-3. Θέρµανση δωµατίων µε air condition Εικόνα Γ-4. Ψύξη δωµατίων µε air condition
Εικόνα Γ-5. Στιγµιότυπο ακριβώς πριν την αποχώρηση του ενοίκου από το σπίτι Εικόνα Γ-6. Στιγµιότυπο αµέσως µετά την αποχώρηση του ενοίκου από το σπίτι Εικόνα Γ-7. Στιγµιότυπο ακριβώς πριν την επιστροφή του ενοίκου στο σπίτι Εικόνα Γ-8. Στιγµιότυπο αµέσως µετά την επιστροφή του ενοίκου στο σπίτι Εικόνα Γ-9. Άφιξη διαρρήκτη / κλήση στην αστυνοµία
Εικόνα Γ-10. Άφιξη περιπολικού / σύλληψη διαρρήκτη Εικόνα Γ-11. Ξέσπασµα φωτιάς / κλήση στην πυροσβεστική Εικόνα Γ-12. Άφιξη πυροσβεστικού οχήµατος / κατάσβεση φωτιάς Εικόνα Γ-14. Μπάρα προσαρµογής ταχύτητας προσοµοίωσης
ΚΕΦΑΛΑΙΟ Α - ∆ΙΚΤΥΑ ΟΠΤΙΚΩΝ ΙΝΩΝ
1. Εισαγωγή
Ένα από τα κυριότερα ζητήµατα στον τοµέα των δικτύων την τελευταία δεκαετία είναι η διαρκώς αυξανόµενη των απαιτήσεων για εύρος ζώνης στα εσωτερικά δίκτυα των επιχειρήσεων, αλλά και σε δίκτυα µεγαλύτερης εµβέλειας όπως το ∆ιαδίκτυο. Η αύξηση της ανάγκης για ευρύτερων δυνατοτήτων δίκτυα δεν προήλθε µόνο από την ραγδαία αύξηση των χρηστών του ∆ιαδικτύου, αλλά κυρίως από τις απαιτήσεις των νέων δικτυακών εφαρµογών που καθιστούν τους χρήστες ακόµα πιο απαιτητικούς σε σχέση µε την χρήση του ∆ιαδικτύου. Παράλληλα, η µετάδοση της ολοένα και αυξανόµενης σε όγκο πληροφορίας θα πρέπει να γίνεται µε λογικό κόστος και σε λογικό χρονικό διάστηµα.
Η ιδέα της επικοινωνίας µε την χρήση φωτός υπήρξε πολύ πριν την εφεύρεση των οπτικών ινών. Ωστόσο, έπρεπε να περάσουν αρκετά χρόνια ώστε να υπάρξει η µετάβαση από τα πρώτα οπτικά µέσα στις οπτικές ίνες. Η ανάγκη της διάδοσης φωτός µέσα από καλώδια τα οποία αναγκαστικά θα περιέχουν γωνίες, οδήγησε στην εφεύρεση των οπτικών ινών (fiber optics), οι οποίες έλυσαν το πρόβληµα της µόνο γραµµικής µετάδοσης του φωτός.
Οι επικοινωνίες µέσω οπτικών ινών βασίζονται στην αρχή ότι µέσα σε ένα γυάλινο µέσο, το φως µπορεί να µεταφέρει µεγαλύτερο όγκο δεδοµένων και σε µεγαλύτερες αποστάσεις, σε σχέση µε τα ηλεκτρικά σήµατα µέσα σε ένα χάλκινο ή οµοαξονικό µέσο. Η καθαρότητα της σηµερινής οπτικής ίνας, σε συνδυασµό βέβαια µε τα βελτιωµένα ηλεκτρονικά συστήµατα, επιτρέπει στις οπτικές ίνες να διαβιβάσουν τα ψηφιοποιηµένα φωτεινά σήµατα πετυχηµένα, σε µεγαλύτερες αποστάσεις από 100 χλµ (60 µίλια) και χωρίς ανάγκη ενίσχυσης. Με µικρές απώλειες στην µετάδοση, χαµηλή παρέµβαση ιδιαίτερα υψηλό εύρος ζώνης, η οπτική ίνα φαντάζει και είναι ένα σχεδόν ιδανικό µέσο µετάδοσης. Οι οπτικές ίνες µπορούν να επιτύχουν ταχύτητα µετάδοσης που πλησιάζει αυτή µε την οποία διαδίδεται το φως.
Στην εποχή µας, όλα τα δίκτυα κορµού στηρίζονται σε οπτικές ίνες και µπορούν να έχουν πρακτικά απεριόριστο εύρος ζώνης, απλά αναβαθµίζοντας ηλεκτρονικό εξοπλισµό τους. Ωστόσο, τα περισσότερα δίκτυα πρόσβασης αποτελούνται ακόµη από τα συµβατικά καλώδια χαλκού. Παρόλο που υπάρχουν διάφορες ευρυζωνικές
τεχνολογίες που βασίζονται στα ενσύρµατα καλώδια, καµιά από τις τεχνολογίες αυτές δεν υπόσχεται µια µακροπρόθεσµη λύση για τις απαιτητικές εφαρµογές του άµεσου µέλλοντος. Η µόνη ρεαλιστική µακροπρόθεσµη λύση που έχει παρουσιαστεί µέχρι τις µέρες µας είναι η προσέγγιση των οπτικών ινών µέχρι τους χρήστες, τεχνολογία γνωστή και ως Fiber To The Home (FTTH).
2. Οι οπτικές ίνες
Οι οπτικές ίνες είναι λεπτές και διαφανείς ίνες, φτιαγµένες από γυαλί, µε διάµετρο περίπου όσο µια ανθρώπινη τρίχα και χρησιµοποιούνται για τη µετάδοση του φωτός. Μια οπτική ίνα είναι ένας κυλινδρικός διηλεκτρικός κυµατοδηγός που µπορεί να εκπέµπει φως κατά µήκος του άξονα της, µε τη διαδικασία της ολικής εσωτερικής ανάκλασης. Το υλικό από το οποίο έχουν κατασκευαστεί επιτρέπει τη µετάδοση φωτός µέσα από το εσωτερικό τους, ενώ συνήθως τις συναντάµε συγκεντρωµένες κατά χιλιάδες σε δέσµες, που σχηµατίζουν τα οπτικά καλώδια.
Σχήµα Α-1. Οπτική ίνα
Οι οπτικές ίνες αφορούν το πρώτο επίπεδο του δικτυακού µοντέλου OSI. Με βάση την εξέλιξη των τεχνολογιών του φυσικού επίπεδου. είναι δυνατή η κατηγοριοποίηση των δικτύων σε τρεις γενιές:
• ∆ίκτυα τα οποία χρησιµοποιούν καλώδια χαλκού ή τεχνολογίες µικροκυµάτων (π.χ. Ethernet, ∆ορυφόροι κ.α.).
• ∆ίκτυα που χρησιµοποιούν συνδυασµό καλωδίων χαλκού και οπτικών ινών.
• ∆ίκτυα τρίτης γενιάς, όπου χρησιµοποιούνται οπτικές ίνες, ενώ οι λειτουργίες δροµολόγησης και µεταφοράς δεδοµένων γίνονται µε βάση την οπτική τεχνολογία, χωρίς καµία ενδιάµεση µετατροπή των σηµάτων σε ηλεκτρονική µορφή. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη µεγάλη αύξηση του παρεχόµενου εύρους ζώνης.
Οπτικές ίνες χρησιµοποιούνται ευρέως στην οπτική επικοινωνία, η οποία επιτρέπει µετάδοση δεδοµένων σε µεγαλύτερες αποστάσεις και σε µεγαλυτερη ταχύτητα σε σχέση µε άλλες µορφές επικοινωνιών. Οπτικές ίνες χρησιµοποιούνται
αντί των µεταλλικών συρµάτων διότι τα δεδοµένα µεταδίδονται µε µικρότερη απώλεια και επηρεάζονται πολύ λιγότερο από τις ηλεκτροµαγνητικές παρεµβολές.
Χρησιµοποιούνται επίσης για να σχηµατίσουν αισθητήρες και σε ένα πλήθος άλλων εφαρµογών.
2.1. ∆οµή οπτικής ίνας
Η ίνα αποτελείται από έναν πυκνό πυρήνα όπου υπάρχει η οπτική ίνα, η οποία κατασκευάζεται από γυαλί ικανό να µεταφέρει φωτεινή δέσµη συγκεκριµένου µήκους κύµατος µε πολύ λίγες απώλειες.. Όσο πιο στενός είναι ο πυρήνας, τόσο πιο γρήγορα µεταφέρεται το κύµα φωτός. Ο οπτικός πυρήνας περιβάλλεται από στρώµα γυάλινης επικάλυψης. Η επικάλυψη (cladding) η οποία περιβάλλει την οπτική ίνα, κρατάει το φως στον πυρήνα, εµποδίζοντας το σήµα να διασκορπιστεί και να χάσει την ισχύ του.
Αυτό επιτυγχάνεται καθώς ο δείκτης διάθλασης του πυρήνα είναι µεγαλύτερος από αυτόν της επένδυσης. Το σύνορο µεταξύ του πυρήνα και του περιβλήµατος µπορεί είτε να είναι απότοµο σε ίνα διακριτού βήµατος, ή σταδιακό για ίνα βαθµιαίου βήµατος. Η επικάλυψη περιβάλλεται από το εξωτερικό προστατευτικό υλικό από συνθετικό ή πολυµερές υλικό, το οποίο προστατεύει την ίνα από τους εξωτερικούς κινδύνους που µπορεί να βλάψουν το γυαλί.
Σχήµα Α-2. Τοµή καλωδίου οπτικής ίνας
Η δέσµη φωτός εκπέµπεται στον πυρήνα της οπτικής ίνας και προσπίπτει µε τέτοια γωνία στην επικάλυψη ώστε να υπάρχει ολική ανάκλαση και να µεταδίδεται σε όλο το µήκος της. Η οπτική ίνα εγκλωβίζει όλη την ενέργεια της ακτίνας του φωτός.
Σχήµα Α-3. Ανάκλαση φωτός στο εσωτερικό οπτικής ίνας
2.2. Κατασκευή οπτικής ίνας
Οι οπτικές ίνες φτιάχνονται από γυαλί το οποίο, µε τη σειρά του, φτιάχνεται από άµµο, µια φτηνή πρώτη ύλη που είναι διαθέσιµη σε απεριόριστες ποσότητες.
Η βασική χηµική αντίδραση από την οποία παράγεται το οπτικό γυαλί είναι:
SiCl4 (gas) + O2 ( SiO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερµοκρασία) GeCl4 (gas) + O2 ( GeO2 (solid)) + 2Cl2 (Υψηλή θερµοκρασία)
Το γυαλί που χρησιµοποιείται για τις σύγχρονες οπτικές ίνες είναι τόσο διαφανές που αν οι ωκεανοί ήταν γεµάτοι µε αυτό αντί για νερό, ο βυθός της θάλασσας θα ήταν τόσο ορατός από την επιφάνεια της, όσο είναι το έδαφος από ένα αεροπλάνο σε µια καθαρή µέρα!
2.3. Οπτική µετάδοση µέσα από οπτική ίνα
Η λειτουργία των οπτικών ινών συµβαδίζει αναγκαστικά µε τις βασικές ιδιότητες των οπτικών υλικών και την αλληλεπίδραση του φωτός µε την ύλη. Από τη φυσική σκοπιά, το φως αποτελείται είτε από ηλεκτροµαγνητικά κύµατα είτε από φωτόνια, τα οποία είναι κβάντα ηλεκτροµαγνητικής ενέργειας. Το βασικότερο σηµείο στην κατανόηση της λειτουργίας των οπτικών ινών είναι η θεώρηση ότι το φως αποτελείται από ακτίνες οι οποίες ταξιδεύουν σε ευθείες γραµµές µεταξύ οπτικών στοιχείων, τα οποία µπορούν να κάµψουν η να ανακάµψουν τη τροχιά αυτή, δηλαδή η οπτική ίνα χρησιµοποιείται ως µέσο και το φως ως φορέας της πληροφορίας. Ο τρόπος που αποστέλλεται η πληροφορία, η οποία βρίσκεται σε ψηφιακή µορφή, είναι η διαµόρφωση πλάτους του εκπεµπόµενου από την πηγή φωτός σε µορφή on/off.
Το φως αποτελεί ένα µικρό κοµµάτι ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας. Η φύση όλων των µορφών της ηλεκτροµαγνητικής ακτινοβολίας είναι η ίδια, και αναγνωρίζεται ως φωτόνια ή κύµατα τα οποία ταξιδεύουν µε την ταχύτητα του φωτός.
∆ιάγραµµα Α-1. Φάσµα Συχνοτήτων
Η διαφορά της ακτινοβολίας µεταξύ διαφορετικών ηλεκτροµαγνητικών φασµάτων µπορεί να µετρηθεί ως µήκη κύµατος, ενέργεια φωτονίων η ακόµα ως µια κυµατοειδή συχνότητα των ηλεκτροµαγνητικών πεδίων.
Το οπτικό σύστηµα µετάδοσης αποτελείται από τρία βασικά συστατικά: την πηγή φωτός, το µέσο µετάδοσης και τον ανιχνευτή. Κατά σύµβαση, ο παλµός φωτός παριστάνει το bit 1 και η απουσία φωτός παριστάνει το bit 0. Το µέσο µετάδοσης είναι µια εξαιρετικά λεπτή ίνα γυαλιού. Ο ανιχνευτής παράγει έναν ηλεκτρικό παλµό όταν πέφτει επάνω του φως. Προσκολλώντας µια πηγή φωτός στο ένα άκρο µιας οπτικής ίνας και έναν ανιχνευτή στο άλλο άκρο, έχουµε ένα σύστηµα µονόδροµης µετάδοσης δεδοµένων το οποίο δέχεται ένα ηλεκτρικό σήµα, το µετατρέπει και το µεταδίδει µε παλµούς φωτός, και στη συνέχεια µετατρέπει ξανά την έξοδο σε ηλεκτρικό σήµα στο άκρο του παραλήπτη.
Αν δεν ίσχυε µια ενδιαφέρουσα αρχή της φυσικής, το φως θα διέρρεε από ένα τέτοιο σύστηµα µετάδοσης, κάνοντας το άχρηστο στην πράξη. Όταν µια ακτίνα φωτός διαπερνά από ένα µέσον σε ένα άλλο, για παράδειγµα από το τηγµένο πυρίτιο (fused silica) στον αέρα, η ακτίνα διαθλάται στο όριο ανάµεσα στο πυρίτιο και τον αέρα και συνεχίζει στον αέρα υπό διαφορετική γωνία. Το µέγεθος της διάθλασης
εξαρτάται από τις ιδιότητες των δύο µέσων (για την ακρίβεια, από τους δείκτες διάθλασης τους). Για γωνίες πρόσπτωσης µεγαλύτερες από µια συγκεκριµένη κρίσιµη τιµή, το φως διαθλάται πίσω στο πυρίτιο, χωρίς να διαφεύγει τίποτα στον αέρα. Έτσι, µια ακτίνα φωτός που προσπίπτει στο όριο µε την κρίσιµη γωνία ή µεγαλύτερη παγιδεύεται µέσα στην οπτική ίνα και µπορεί να διαδίδεται για πολλά χιλιόµετρα χωρίς ουσιαστικές απώλειες.
Σχήµα Α-4. ∆ιάθλαση και εσωτερική διάθλαση οπτικού σήµατος
Η αρχή λειτουργίας ενός οπτικού καλωδίου είναι η ολική εσωτερική αντανάκλαση (TIR -Total Internal Reflection) και βασίζεται στο γεγονός ότι όταν το φως αντανακλάται εξολοκλήρου σε έναν κλειστό εσωτερικό χώρο, µπορεί να ταξιδεύσει σε µεγάλες αποστάσεις, χωρίς να µειωθεί η έντασή του.
Ως εκ τούτου, σε ένα οπτικό καλώδιο, η δεσµίδα των οπτικών ινών περικλείεται σε ειδικό υλικό που αντανακλά εσωτερικά όλο το φως, εξασφαλίζοντας έτσι δύο πράγµατα:
1. Την ολική εσωτερική αντανάκλαση, που θα επιτρέψει στην πληροφορία να φθάσει αναλλοίωτη σε µεγάλες αποστάσεις.
2. Την αποφυγή διαρροής φωτός στο εξωτερικό του καλωδίου.
Για τον λόγο αυτό, το φως διοχετεύεται στο εσωτερικό της οπτικής ίνας υπό συγκεκριµένη γωνία, ώστε να επιτευχθεί η κατάλληλη αντανάκλαση που θα αποτρέψει την διαρροή φωτεινής ενέργειας. Μέχρι να φθάσει στον προορισµό της, η φωτεινή δέσµη συνήθως πραγµατοποιεί χιλιάδες ή και εκατοµµύρια αντανακλάσεις στο εσωτερικό της οπτικής ίνας.
Στην περίπτωση των οπτικών ινών, η κεντρική ίνα έχει υψηλότερο συντελεστή διάθλασης από αυτό της επίστρωσης.
Σχήµα Α-5. Λειτουργία οπτικής ίνας µέσω ανακλάσεων
Στις οπτικές επικοινωνίες χρησιµοποιούνται τρεις ζώνες µηκών κύµατος. Τα κέντρα τους είναι στα 0.85, 1.30, και 1.55 micro αντίστοιχα. Οι δύο τελευταίες ζώνες έχουν καλές ιδιότητες εξασθένησης (απώλειες κάτω από 5 %/χιλιόµετρο). Η ζώνη των 0.85 micro έχει υψηλότερη εξασθένηση, αλλά σε αυτό το µήκος κύµατος τα λέιζερ και τα ηλεκτρονικά µπορούν να κατασκευαστούν από το ίδιο υλικό (αρσενικούχο γάλλιο). Και οι τρεις ζώνες έχουν εύρος από 25.000 έως 30.000 GΗz.
Οι παλµοί φωτός που στέλνονται µέσω µιας οπτικής ίνας εκτείνονται κατά πλάτος καθώς διαδίδονται. Αυτή η επέκταση ονοµάζεται χρωµατική διασπορά (chromatic dispersion) και το µέγεθος της εξαρτάται από το µήκος κύµατος. Ένας τρόπος για να αποφευχθεί η αλληλοεπικάλυψη των παλµών λόγω της επέκτασης τους είναι να αυξήσουµε την απόσταση µεταξύ τους, αλλά αυτό µπορεί να επιτευχθεί µόνο αν ελαττώσουµε το ρυθµό παραγωγής σηµάτων. Ευτυχώς, έχει ανακαλυφθεί ότι αν δηµιουργήσουµε τους παλµούς µε ένα ειδικό σχήµα το οποίο σχετίζεται µε το αντίστροφο του υπερβολικού συνηµίτονου όλα σχεδόν τα αποτελέσµατα της διασποράς θα αλληλοακυρώνονται, έτσι είναι δυνατή η αποστολή παλµών για χιλιάδες χιλιόµετρα χωρίς σηµαντική παραµόρφωση του σχήµατος τους. Αυτοί οι παλµοί ονοµάζονται solitons. Υπάρχει σηµαντικός όγκος έρευνας που στοχεύει στο να µεταφέρει τα solitons από το εργαστήριο στον έξω κόσµο.
Τα φωτεινά κύµατα κατευθύνονται µέσω του πυρήνα της οπτικής ίνας µε τον ίδιο σχεδόν τρόπο που τα σήµατα ραδιοσυχνότητας (RF) κατευθύνονται µέσα σε οµοαξονικό καλώδιο. Ο έλεγχος της γωνίας στην οποία τα φωτεινά κύµατα διαβιβάζονται καθιστά πιθανό τον έλεγχο του πόσο αποτελεσµατικά φθάνουν στον προορισµό τους. Η σύνθεση επένδυσης του γυαλιού σε σχέση µε το γυαλί πυρήνων καθορίζει τη δυνατότητα της ίνας να ανακλάσει το φως. Η διαφορά στο δείκτη της διάθλασης του πυρήνα και της επένδυσης αναγκάζει το µεγαλύτερο µέρος του διαβιβασθέντος φωτός να ανακλαστεί από την επένδυση και να µείνει µέσα στο
εσωτερικό του πυρήνα. Κατ' αυτό τον τρόπο, ο πυρήνας της ίνας ενεργεί ως κυµατοδηγός για το διαβιβασθέν φως.
Πάντως, οι απώλειες ισχύος της φωτεινής ενέργειας είναι σε κάθε περίπτωση αναπόφευκτες, ακόµη και κατά την ολική εσωτερική αντανάκλαση του φωτός και παρατηρούνται κυρίως κατά τη µετάδοση των δεδοµένων σε αποστάσεις πολλών χιλιοµέτρων. Αυτό οφείλεται σε µικρές ατέλειες του µέσου µεταφοράς. Η καθαρότητα του γυαλιού σπάνια φθάνει το απόλυτο, µε αποτέλεσµα η ισχύς του φωτός να εξασθενεί. Ανάλογα µε το πάχος του καλωδίου, οι απώλειες µπορούν να φθάσουν ακόµη και το 20% ανά χιλιόµετρο, ωστόσο µε κάποια σύγχρονα καλώδια, έχουν µειωθεί στο 5-10% ανά χιλιόµετρο.
Σε γενικές γραµµές οι απώλειες στις οπτικές ίνες, είναι της τάξης των 0.2-0.3 db/χιλιόµετρο και το σήµα µπορεί να ταξιδέψει από 80 έως 140 χλµ. χωρίς να είναι απαραίτητη η ενίσχυση του. Το συνολικό εύρος ζώνης που µπορεί να επιτευχθεί θεωρητικά, µε χρήση προηγµένων µορφών πολυπλεξίας, είναι της τάξης των 300 THz. Αντίθετα, στο οµοαξονικό καλώδιο, εµφανίζονται απώλειες της τάξης των 1000 db/χιλιόµετρο και γι’αυτό και χρειάζεται πολύ συχνότερα ενίσχυση, ενώ το εύρος ζώνης που µπορεί να επιτευχθεί είναι της τάξης του 1 GHz. Οι διαφορές είναι από σηµαντικές µέχρι χαώδεις.
2.4. Είδη οπτικών ινών
Υπάρχουν πολλές γωνίες υπό τις οποίες το φως µπορεί να εισέλθει σε µία οπτική ίνα και να δηµιουργήσει διαφορετικές γωνίες προσπτωσης στο στρώµα της επικάλυψης, οι οποίες αναφέρονται και ως τρόποι (modes). Ο αριθµός των τρόπων αυξάνεται καθώς αυξάνεται η διάµετρος του πυρήνα της οπτικής ίνας. Ο τρόπος αναφοράς των µεγεθών για τις οπτικές ίνες αποτελείται από δυο αριθµούς: η διάµετρος του πυρήνα και η διάµετρος της επικάλυψης. Οι µετρήσεις των παραπάνω µεγεθών γίνονται σε 10-6 µέτρα. Οι οπτικές ίνες διακρίνονται σε µονότροπες και πολύτροπες.
Μονότροπες οπτικές ίνες (single mode fiber optics).
Στις µονότροπες οπτικές ίνες, η διάµετρος της κεντρικής ίνας είναι πολύ µικρή και πλησιάζει περίπου το επίπεδο του µήκους κύµατος του εκπεµπόµενου σήµατος.
Στην περίπτωση αυτή, υπάρχει µόνο ένας δυνατός τρόπος µετάδοσης του οπτικού
σήµατος, ο αξονικός. Οι µονότροπες οπτικές ίνες, σε αντίθεση µε τις πολύτροπες δεν διαχέουν τη δέσµη φωτός αλλά απαιτούν συγκέντρωση φωτός µεγάλης έντασης σε πυρήνα µικρής διαµέτρου, γεγονός που απαιτεί τη χρήση Laser. Αναφέρεται και σαν οµοαξονική µετάδοση. Η κεντρική ίνα στις µονότροπες οπτικές ίνες έχει διάµετρο από 5µm έως 10µm, µε συνηθέστερη τιµή τα 8,3 µm. Οι µονότροπες οπτικές ίνες εµφανίζουν πολύ καλύτερα χαρακτηριστικά από τις πολύτροπες. Επιτυγχάνουν υψηλότερους ρυθµούς µετάδοσης, ενώ παράλληλα εισάγουν χαµηλότερη εξασθένηση σήµατος και επιτυγχάνουν σηµαντική εκµετάλλευση του εύρους ζώνης και µείωση της διασποράς.
Σχήµα Α-6. Μονότροπες οπτικές ίνες
Πολύτροπες οπτικές ίνες (Multimode fiber optics)
Η αρχή µετάδοσης στις πολύτροπες οπτικές ίνες είναι ότι οι διάφορες ακτίνες του οπτικού σήµατος ταξιδεύουν ανακλώµενες υπό διαφορετικές γωνίες, ανάλογα µε την γωνία εισόδου τους στην οπτική ίνα. Αυτός ο τρόπος µετάδοσης ονοµάζεται πολύτροπος (multimode), αφού έχουµε πολλούς δρόµους µετάδοσης, που αντιστοιχούν στις διαφορετικές γωνίες ανάκλασης.
Οι πολύτροπες οπτικές ίνες έχουν τυπικά µεγέθη 50µm/125µm, 62,5/125, 85/125 ή 100/140. Ο συνηθέστερος τύπος, ο οποίος κυκλοφορεί, είναι ο 62,5µm/125µm. Η ολική διάµετρος της οπτικής ίνας συµπεριλαµβανοµένων των ενισχυτικών συνθετικών ινών και του εξωτερικού περιβλήµατος φτάνει τα 900µm. Επιπλέον, για τις πολύτροπες ίνες υπάρχει ένας επιπλέον διαχωρισµός ανάλογα µε τον τρόπο κατασκευής τους, και πιο συγκεκριµένα µε το αν η µεταβολή του δείκτη διαθλάσεως µεταξύ του πυρήνα και της επικάλυψης είναι απότοµη (step index) ή είναι βαθµιαία όσο αποµακρυνόµαστε από το κέντρο του πυρήνα της ίνας (graded index)..
Οπτική ίνα διακριτού δείκτη (step index)
Στις ίνες αυτές παρατηρείται απότοµη µεταβολή του δείκτη διάθλασης µεταξύ της κεντρικής ίνας και του υλικού επικάλυψης.
Σχήµα Α-7. Πολύτροπες οπτικές ίνες διακριτού δείκτη Οπτική ίνα βαθµιαίου δείκτη (graded index)
Οι ίνες αυτές παρουσιάζουν βαθµιαία µεταβολή του δείκτη διάθλασης του υλικού της κεντρικής ίνας. Παρατηρείται βαθµιαία µείωση όσο αποµακρυνόµαστε από το κέντρο προς την εξωτερική επιφάνεια του πυρήνα
.
Σχήµα Α-8. Πολύτροπες οπτικές ίνες βαθµιαίου δείκτη
3. Μετάδοση µέσω οπτικών ινών
3.1. Οπτικοί ποµποί
Για τη δηµιουργία της φωτεινής δέσµης που θα περάσει µέσω της οπτικής ίνας, µπορούν να χρησιµοποιηθούν δύο είδη πηγών:
Οι ∆ίοδοι Εκποµπής Φωτός LED (Light Emitting Diodes) και τα Laser ηµιαγωγών.
Οι ∆ίοδοι Εκποµπής Φωτός LED παράγουν δεδοµένα µε χαµηλό ρυθµό και χρησιµοποιούνται για µετάδοση δεδοµένων σε µικρές αποστάσεις. Αποτελούν
σχετικά αργές συσκευές, κατάλληλες για εφαρµογές µε ταχύτητες χαµηλότερες από l Gbps, ενώ εµφανίζουν ένα σχετικά ευρύ πλάτος φάσµατος. Οι διατάξεις αυτές χρησιµοποιούνται συνήθως σε επικοινωνιακές εφαρµογές πολύτροπων οπτικών ινών.
Ωστόσο, παρουσιάζουν κάποια πλεονεκτήµατα, όπως είναι η µεγάλη διάρκεια ζωής, η µικρή ευαισθησία σε µεταβολές της θερµοκρασίας και το χαµηλό κόστος.
Οι συσκευές Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) παράγουν δέσµες φωτονίων µέσω της διέγερσης µε ηλεκτρικό ρεύµα ιονισµένων υλικών. Οι δέσµες φωτονίων ενισχύονται µε σύστηµα καθρεπτών και στη συνέχεια εξέρχονται µε τη µορφή εξαιρετικά εστιασµένων ακτίνων. Τα Lasers µπορούν να συντονιστούν, όσον αφορά το µήκος κύµατος τους, µε χρήση µεθόδων συντονισµού, όπως είναι ο µηχανικός συντονισµός, ο ακουστοπτικός συντονισµός, ο ηλεκτροπτικός συντονισµός και ο injection -current-based συντονισµός. Τα µηχανικά συντονιζόµενα Lasers µπορούν να συντονιστούν σε όλο το ωφέλιµο φάσµα (τάξεως των 100nm), αλλά ο χρόνος εναλλαγής καναλιών είναι της τάξης των msec, εξαιτίας των µηχανικών στοιχείων µέσω των οποίων γίνεται ο συντονισµός. Τα ακουστοπτικά Lasers συνδυάζουν µέσο εύρος και µέσο χρόνο συντονισµού (τάξεως των 10 µsec). Οι µικρότεροι χρόνοι εναλλαγής καναλιών µπορούν να επιτευχθούν µε τη χρήση Laser ηµιαγωγών όπως τα Distributed -Feedback Laser (DFB) και Distributed-Bragg-Reflector (DBR) που έχουν χρόνο συντονισµού µικρότερο των 10 nsec, αλλά έχουν περιορισµένο εύρος µήκους κύµατος (της τάξεως µερικών καναλιών). ∆ιαθέτουν χαρακτηριστικά και απόδοση που τους καθιστά καταλληλότερους για εφαρµογές µονότροπης οπτικής ίνας .
3.2. Οπτικοί ∆έκτες
Το άκρο λήψης µιας οπτικής ίνας αποτελείται από µία φωτοδίoδο, η οποία, µε κατάλληλους καθρέπτες, δέχεται τη δέσµη φωτός από την οπτική ίνα και συντονίζονται σε συγκεκριµένο µήκος κύµατος, ανάλογα µε την απόσταση των καθρεπτών µεταξύ τους. Οι οπτικοί δέκτες µπορεί να είναι παθητικοί (passive), ενεργοί (active) και διόδου Laser (Laser-diode-amplifier-based). Το πλεονέκτηµα των παθητικών δεκτών είναι ότι µπορούν να πετύχουν υψηλή ανάλυση. Το µειονέκτηµα τους είναι οι σηµαντικές απώλειες και ο µεγάλος χρόνος συντονισµού (της τάξεως των msec), καθώς στην κατασκευή τους περιλαµβάνουν µηχανικά στοιχεία. Οι ενεργοί και οι διόδου Laser δέκτες, µπορούν να συντονιστούν µε µεγαλύτερες
ταχύτητες (της τάξεως των nsec), έχοντας όµως µικρότερη ανάλυση, µε αποτέλεσµα να µπορούν να συντονιστούν σε λιγότερα κανάλια.
3.3. Οπτικοί Ενισχυτές
Με τους ποµπούς και τους δέκτες, οι οπτικοί ενισχυτές (optical amplifiers) αποτελούν τα βασικά στοιχεία στη σχεδίαση οπτικών δικτύων. Οι οπτικοί ενισχυτές παρέχουν το µέσο στα οπτικά σήµατα ώστε να αναγεννιόνται χωρίς την ανάγκη χρήσης οπτικο -ηλεκτρονικών µεταλλακτών. Οι οπτικοί ενισχυτές τύπου Erbium- doped (Erbium-doped fiber amplifiers (EDFA)) που λειτουργούν σε οπτικό µήκος κύµατος 1.5µm χρησιµοποιούνται στο πεδίο των επικοινωνιών µεγάλων αποστάσεων και είναι από τις πλέον αξιόπιστες λύσεις. Με τη χρήση των παραπάνω οπτικών ενισχυτών EDFA είναι δυνατή η εκποµπή σηµάτων σε µεγάλες αποστάσεις.
3.4. Η τεχνική πολύπλεξης WDM
Στα οπτικά δίκτυα γίνεται χρησιµοποιείται συνήθως µια τεχνικής πολύπλεξης που ονοµάζεται Πολύπλεξη µε ∆ιαίρεση Μήκους Κύµατος WDM (Wave Division Multiplexing). Η τεχνική αυτή επιτρέπει την ταυτόχρονη µετάδοση πολλών ψηφιακών σηµάτων, µε την παραχώρηση σε κάθε ένα από αυτά µιας συγκεκριµένης περιοχής µήκους κύµατος Η βασική ιδέα πάνω στην οποία στηρίχτηκε η νέα τεχνολογία ήταν η εξής: σε κάθε οπτική ίνα, το σήµα που µεταδίδεται έχει µια συγκεκριµένη συχνότητα. Υπάρχει όµως η δυνατότητα να περάσουν περισσότερα του ενός σήµατα διαφορετικού µήκους κύµατος (ή αλλιώς διαφορετικού χρώµατος, αφού µιλάµε για οπτικά σήµατα) µέσα από την ίδια ίνα, το καθένα από τα οποία αντιπροσωπεύει και µία ροή δεδοµένων. Με βάση αυτό το χαρακτηριστικό έγινε δυνατή η παράλληλη µετάδοση σήµατος και στις οπτικές ίνες. Με την θεώρηση αυτή, η τεχνική WDM θυµίζει την πολύπλεξη µε διαίρεση συχνότητας FDM (Frequency Division Multiplexing), διαφέρει όµως από αυτήν ως προς το ότι τα προς πολύπλεξη σήµατα είναι ψηφιακά και µπορεί ήδη να ανήκουν σε µια ανώτερη ιεραρχία πολύπλεξης µε διαίρεση χρόνου TDM (Time division Multiplexing). Αυτή η ιδέα δεν ήταν καινούρια, άλλωστε η πολυπλεξία στο ίδιο µέσο παραπάνω του ενός σήµατος µε διαφορετικές συχνότητες, συνεπώς και διαφορετικά µήκη κύµατος χρησιµοποιείται από πολύ παλιά στις εκποµπές ραδιοφώνου αλλά και σε πολλές άλλες εφαρµογές. Το
βασικότερο πλεονέκτηµα της τεχνικής αυτής είναι ότι µε αυτό τον τρόπο επιταχύνεται µεγάλη αύξηση της χωρητικότητας κατά 4,8,16 και 32 φορές.
Σχήµα Α-9. Πολύπλεξη µε ∆ιαίρεση Μήκους Κύµατος (WDM)
Στο παραπάνω σχήµα αποδίδεται σε γενικές γραµµές η λειτουργία της µετάδοσης WDM. Κάθε ποµπός ΤΝ δέχεται στην είσοδο του ένα ψηφιακό και βγάζει στην έξοδό του ένα διαµορφωµένο οπτικό σήµα (κανάλι) µε συγκεκριµένο µήκος κύµατος λΝ. Με αυτό τον τρόπο, δηµιουργούνται Ν διαφορετικά οπτικά σήµατα τα οποία οδηγούνται στην είσοδο του πολυπλέκτη. Μέσω του πολυπλέκτη, όλα τα οπτικά σήµατα διοχετεύονται σαν ένα ενιαίο σύνθετο σήµα στην ίδια οπτική ίνα. Το σήµα αυτό, αφού περάσει από οπτικό ενισχυτή (αν η απόσταση µετάδοσης είναι µεγαλύτερη των 200 km) αποπολυπλέκεται στον αποπολυπλέκτη και στο τέλος τα διάφορα ψηφιακά σήµατα οδηγούνται στους αντίστοιχους δέκτες RN.
Το Ν µπορεί να είναι 4,8,16 και 32.(Ν=16 είναι η περισσότερο συνηθισµένη τιµή)
DWDM - Dense Wavelength Division Multiplexing
Η Πυκνή Πολύπλεξη ∆ιαχωρισµού Μήκους Κύµατος (DWDM) είναι µια τεχνολογία οπτικών δικτύων η οποία χρησιµοποιείται για να αυξηθεί η χωρητικότητα του µέσου µεταφοράς των δεδοµένων (οπτικές ίνες).
Η DWDM λειτουργεί µε εντελώς διαφορετικό τρόπο σε σχέση µε την Πολυπλεξία
∆ιαχωρισµού Χρόνου (TDM - Time Division multiplexing).
Η TDM χρησιµοποιεί ένα µήκος κύµατος, το οποίο διαχωρίζει σε διακριτές χρονοθυρίδες (time slots) ίσου µεγέθους, τις οποίες χρησιµοποιεί για να µεταδώσει τα εισερχόµενα σήµατα, χρησιµοποιώντας κυκλική δειγµατοληψία (round - robin).
Σχήµα Α-10. Πολύπλεξη ∆ιαχωρισµού Χρόνου (TDM)
Η µέθοδος αυτή, αν και είναι δίκαια ως προς το τρόπο που µεταχειρίζεται τα σήµατα, τελικά είναι αναποτελεσµατική, αφού οι χρονοθυρίδες παραµένουν δεσµευµένες για τα συγκεκριµένα κανάλια ακόµα και αν δεν υπάρχουν δεδοµένα προς µετάδοση. Η WDM αντίθετα διαµορφώνει τα εισερχόµενα οπτικά σήµατα σε συγκεκριµένες συχνότητες φωτός (µήκη κύµατος) µέσα σε ένα συγκεκριµένο εύρος συχνοτήτων.
Σχήµα Α-11. Πολύπλεξη µε ∆ιαίρεση Μήκους Κύµατος (WDM)
Σε ένα WDM σύστηµα, κάθε ένα από τα µήκη κύµατος προωθείται στην ίνα, και τα σήµατα αποπολυπλέκονται στο λαµβάνον άκρο. Όπως στο TDM, η προκύπτουσα χωρητικότητα είναι ένα σύνολο των εισερχόµενων σηµάτων, ωστόσο το WDM µεταφέρει κάθε εισερχόµενο σήµα ανεξάρτητα από τα άλλα. Αυτό σηµαίνει ότι κάθε κανάλι έχει το δικό του αφιερωµένο εύρος ζώνης και όλα τα σήµατα φθάνουν συγχρόνως, αντί να διαχωρίζονται και να µεταφέρονται σε χρονοθυρίδες.
Τα συστήµατα WDM µπορούν να µεταδώσουν µέχρι 24 κανάλια αλλά στο µέλλον όλα δείχνουν ότι η χωρητικότητα θα αυξηθεί στα 128 και παραπάνω µέσα από µια ίνα.
Η διαφορά µεταξύ του WDM και του DWDM είναι απλώς διαφορά µεγέθους. Το DWDM τοποθετεί τα µήκη κύµατος πιο κοντά µεταξύ τους από το WDM, και εποµένως έχει µεγαλύτερη συνολική χωρητικότητα. Στα DWDM συστήµατα τα µήκη
κύµατος του φωτός βρίσκονται πολύ κοντά µεταξύ τους, συνήθως 100GHz ή περίπου 0,75nm χωριστά.
Το DWDM έχει και διάφορα άλλα ξεχωριστά χαρακτηριστικά. Αυτά περιλαµβάνουν τη δυνατότητα ενίσχυσης όλων των µηκών κύµατος αµέσως χωρίς να µεσολαβήσει η µετατροπή τους σε ηλεκτρικά σήµατα, και τη δυνατότητα µεταφοράς σηµάτων διαφορετικών ταχυτήτων και είδους διαφανώς πάνω από µία ίνα (ανεξαρτησία στο είδος πρωτοκόλλου και στο ρυθµό µετάδοσης).
Η σηµασία του DWDM είναι τεράστια και εντοπίζεται κυρίως στο να δίνει την δυνατότητα στους παρόχους να παρέχουν όλο και µεγαλύτερο εύρος ζώνης στους χρήστες. Το DWDM είναι κρίσιµο συστατικό των οπτικών δικτύων, αφού επιτρέπει µετάδοση video, πολυµέσων, δεδοµένων και φωνής µέσω της οπτικής ίνας. Η τεχνολογία DWDM είναι η περισσότερα υποσχόµενη τεχνολογία για µεταφορά δεδοµένων µέσα από οπτικές ίνες και αποτελεί σίγουρα µονόδροµο για την υλοποίηση σχεδίων όπως το Gigabit Internet. Ενδεικτικά, αναφέρουµε ότι µε τα σηµερινά δεδοµένα είναι δυνατή η πολυπλεξία σαράντα τέτοιων σηµάτων σε µια και µόνο οπτική ίνα, κάθε ένα από τα οποία µπορεί να µεταφέρει δεδοµένα µε ρυθµό 10 Gb/s, κάτι που οδηγεί σε συνολικό ρυθµό µεταφοράς δεδοµένων ίσο µε 400 Gb/s. Σε πειραµατικό, µάλιστα, επίπεδο έχουν επιτευχθεί ρυθµοί µεταφοράς δεδοµένων της τάξης των Tb/s.
CWDM - Coarse Wavelength Division Multiplexing
H Τραχεία Πολύπλεξη ∆ιαχωρισµού Μήκους Κύµατος (CWDM - Coarse Wavelength Division Multiplexing) είναι µια τεχνολογία µεταφοράς οπτικού σήµατος, που παρουσιάζει σηµαντική ανάπτυξη στην αγορά, κυρίως λόγω των ιδιοτήτων χαµηλότερου κόστους και της απλότητας στον σχεδιασµό της..
Η CWDM τεχνολογία αντιπροσωπεύει µια οικονοµική τεχνολογία, τόσο σε πρόσβαση όσο και στην αγορά δικτύων κορµού και ειδικά σε σχετικά µικρές αποστάσεις (έως 31 µίλια). Παραδίδει τα πολλαπλάσια µήκη κύµατος µέσω µιας οπτικής ίνας σε ένα µέρος του κόστους και πολυπλοκότητας των συστηµάτων DWDM.
Τα DWMD lasers, έχουν τυπικό bit rate µέχρι και 10Gbits/sec, ενώ τα CWDM lasers φτάνουν τα 2,5Gbits/sec. Η τιµή ενός DWDM ποµποδέκτη είναι τυπικά 4 µε 5 φορές µεγαλύτερη από ενός αντίστοιχου CWDM ποµποδέκτη.Ακόµα, οι DWDM
ποµποδέκτες τείνουν να αυξάνουν τα λειτουργικά τους έξοδα, µιας και καταναλώνουν περισσότερη ενέργεια και αποβάλουν περισσότερη θερµότητα από τους CWDM.
4. Πλεονεκτήµατα οπτικών ινών
Η ευρεία αποδοχή της τεχνολογίας των οπτικών ινών στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες οφείλεται σε µεγάλο βαθµό στα πλεονεκτήµατα που παρέχει η χρήση τους, τα οποία είναι τα παρακάτω:
Υψηλό εύρος ζώνης, το οποίο ξεπερνά κατά εκατοντάδες φορές αυτό ενός κοινού καλωδίου. Οι υψηλές ταχύτητες µετάδοσης δεδοµένων, εξασφαλίζουν ταχύτητες της τάξεως των Gbps, που προσφέρουν ταχύτατη µεταφορά δεδοµένων και αξιόπιστες υπηρεσίες τηλεφωνίας. Συνήθεις ταχύτητες µετάδοσης είναι αυτές των 2 και 10 Gbps, ενώ έχουν επίσης αναπτυχθεί συστήµατα των 20,40 και 50 Gbps. Σε περίπτωση πολυπλεξίας µε διαίρεση µήκους κύµατος, οι ταχύτητες φθάνουν στα µερικά Tbps.
Καθαρά ψηφιακό σήµα, το οποίο εξασφαλίζει υψηλότερη ποιότητα επικοινωνίας και αποφυγή προβληµάτων που θα προέκυπταν σε µια αναλογική µετάδοση. Οι οπτικές ίνες µεταδίδουν τις φωτεινές ενδείξεις µε ιδιαίτερα υψηλή αξιοπιστία, µεταφέροντας τα δεδοµένα µε πολύ µικρότερες αλλοιώσεις σε σχέση µε αυτές ενός κοινού καλωδίου δικτύου, ή µιας ασύρµατης σύνδεσης δεδοµένων.
Μικρή εξασθένηση του σήµατος, λόγω της υψηλής ποιότητας του γυαλιού που χρησιµοποιείται ως µέσο µετάδοσης και των κατάλληλων ενισχυτών που αναλαµβάνουν να αναδηµιουργήσουν το σήµα σε περίπτωση εξασθένησης. Οι ιδιαίτερα χαµηλές τιµές απωλειών στις ίνες οδηγούν σε συστήµατα επικοινωνιών όπου οι ενισχυτές τοποθετούνται σε µακρινές αποστάσεις, που µπορεί να είναι και µεγαλύτερες από 200 χιλιόµετρα, συµβάλλοντας έτσι στη µείωση του κόστους καθώς και της πολυπλοκότητας του συστήµατος.
Μικρές διαστάσεις, καθώς ένα µικρό και ελαφρύ καλώδιο οπτικών ινών, µεταφέρει πολύ περισσότερα δεδοµένα ακόµα και από ένα µεγαλύτερο και πιο βαρύ χάλκινο καλώδιο. Η διάµετρος των οπτικών ινών είναι µερικά (ή µερικές δεκάδες) µm. Έτσι, απαιτείται πολύ λιγότερος χώρος για την υλοποίηση ενός δικτύου οπτικών ινών.
Υψηλή διαθεσιµότητα, που οφείλεται κυρίως στην ανθεκτική κατασκευή των σύγχρονων οπτικών καλωδίων, η οποία µειώνει στο ελάχιστο το ενδεχόµενο εξωτερικής ζηµιάς. Οι οπτικές ίνες, παρόλο που είναι κατασκευασµένες από γυαλί, χαρακτηρίζονται από µεγάλη αντοχή σε εφελκυσµό, καθώς και ευκαµψία.
Ταυτόχρονα, δεν επηρεάζονται από την υγρασία, σε αντίθεση µε τα χάλκινα καλώδια που η έκθεση τους σε υγρασία µπορεί να προκαλέσει βραχυκυκλώµατα ή το φαινόµενο της διαφωνίας.
Αντοχή σε παρεµβολές. Η οπτική ίνα µπορεί να περάσει άφοβα από κάποιο
"ηλεκτρικά επικίνδυνο" περιβάλλον. Η οπτική ίνα είναι ιδανικό µέσον για την εγκατάσταση σε χώρους µε υψηλά δυναµικά.
Χαµηλό κόστος. Η δηµιουργία ενός καλωδίου οπτικών ινών είναι σαφώς πιο οικονοµική σε σχέση µε ένα καλώδιο χαλκού για την ίδια απόσταση και τις ίδιες δυνατότητες. Αυτό αποτελεί πλεονέκτηµα για τους παρόχους υπηρεσιών τηλεπικοινωνιών, οι οποίοι παρέχουν ποιοτικές υπηρεσίες σε µικρότερο κόστος.
Το γεγονός αυτό µειώνει τελικά τις ανάγκες απόσβεσης εξόδων των παρόχων, άρα ο τελικός καταναλωτής ωφελείται, αφού επιβαρύνεται µε µικρότερες χρεώσεις για τις υπηρεσίες που του διατίθενται.
Μικρές απαιτήσεις σε ενέργεια. Οι µικρές απώλειες του σήµατος και η χαµηλή κατανάλωση ενέργειας για την παραγωγή φωτός σε σχέση µε το ηλεκτρικό σήµα καθιστούν τις απαιτήσεις σε ενέργεια ιδιαίτερα χαµηλές.
Ασφάλεια. Το οπτικό σήµα περιορίζεται κυρίως στον πυρήνα της ίνας και δεν ακτινοβολεί. Αυτό σηµαίνει ότι δεν µπορεί να υποκλαπεί, παρά µόνο στην περίπτωση που κάποιος µπορεί να έχει πρόσβαση στο φως που οδηγείται από τον πυρήνα. Το παραπάνω είναι απίθανο να συµβεί χωρίς να διακοπεί η συνέχεια της ίνας, πράγµα το οποίο γίνεται εύκολα αντιληπτό. Αυτό σηµαίνει ότι η ασφάλεια που προσφέρουν τα συστήµατα οπτικών ινών είναι ιδιαίτερα αυξηµένη, καθώς είναι σχεδόν αδύνατη η εξωτερική επέµβαση για την υποκλοπή ή την παρεµβολή των µεταφερόµενων σηµάτων.
5. Προβλήµατα µετάδοσης µέσω οπτικών ινών
Παρά το γεγονός ότι οι οπτικές ίνες είναι οι καλύτερες από όλα τα µέσα µετάδοσης στο να µεταφέρουν µεγάλες ποσότητες δεδοµένων σε µεγάλες
αποστάσεις, αυτό δεν σηµαίνει ότι δεν παρουσιάζουν και προβλήµατα στην λειτουργία τους. Όταν το φως ταξιδεύει µέσω της ίνας, µοιραία ένα µέρος από την ενέργεια του χάνεται. Όσο πιο µακριά θέλουµε να µεταδοθεί το φως µέσω της ίνας, τόσο µεγαλύτερο είναι το ποσό της ενέργειας που χάνεται από το σήµα. Αυτή η εξασθένιση του σήµατος συµβαίνει για διάφορους λόγους, περιλαµβάνοντας και την ίδια την φύση της ίνας.
Η απορρόφηση (Absorption) αποτελεί µία ακόµα αιτία για την αποδυνάµωση της ενέργειας του µεταδιδόµενου φωτός. Την στιγµή που οι ακτίνες φωτός χτυπάνε σε ανωµαλίες στο εσωτερικό της ίνας, αυτές απορροφούν ένα µέρος της ενέργειας. Αυτή η ενέργεια µετατρέπεται σε θερµική. Η απορρόφηση αυτή κάνει το σήµα φωτός πιο αδύναµο.
Η διασπορά (Dispersion) του φωτός µειώνει τις αποστάσεις µετάδοσης σε µια ίνα. Η διασπορά είναι ο τεχνικός όρος του διασκορπισµού των φωτεινών παλµών καθώς ταξιδεύουν µέσω της ίνας. Όταν µερικά µήκη κύ