سیستم نوری منسجم برای شبکه های مسافت طولانی مناسب است

 

سیستم های نوری منسجم، انتقال داده ها را در فواصل بیش از 1000 کیلومتر با تعدیل دامنه، فاز و قطبش نور امکان پذیر می کنند. این سیستم‌ها از پردازنده‌های سیگنال دیجیتال برای جبران آسیب‌های فیبر و پشتیبانی از نرخ انتقال از 100G تا 1.6 Tbps در هر طول موج استفاده می‌کنند.

 

سیستم های نوری منسجم چگونه کار می کنند

 

 

سیستم‌های نوری سنتی بر مدولاسیون شدت، روشن و خاموش کردن نور برای نمایش داده‌های باینری متکی هستند. این روش انتقال را به تقریباً 10 گیگابیت در ثانیه محدود می کند و با مسافت های فراتر از چند صد کیلومتر مبارزه می کند. یک سیستم نوری منسجم با دستکاری چندین ویژگی امواج نور به طور همزمان، این محدودیت ها را می شکند.

این فناوری اطلاعات را در سه بعد رمزگذاری می کند: دامنه (قدرت سیگنال)، فاز (موقعیت موج)، و قطبش (جهت گیری میدان الکترومغناطیسی). با تغییر هر سه ویژگی، سیستم‌های همدوس داده‌های بیشتری را روی هر پالس نوری بسته‌بندی می‌کنند. یک طول موج منفرد با استفاده از مدولاسیون 16-QAM می‌تواند 4 بیت در هر نماد را رمزگذاری کند، در مقایسه با 1 بیت در هر نماد در کلید زدن سنتی روشن و خاموش.

پردازنده های سیگنال دیجیتال قلب الکترونیکی این سیستم ها را تشکیل می دهند. DSP چندین عملکرد حیاتی را انجام می دهد: تبدیل بین سیگنال های الکتریکی و نوری، جبران پراکندگی حالت رنگی و قطبی، تصحیح خطاهای انتقال از طریق الگوریتم های تصحیح خطای جلو، و نظارت مداوم بر عملکرد پیوند. اجرای اخیر DSP با استفاده از فناوری CMOS 3{4}} نانومتری، ماژول‌های قابل اتصال منسجم 800G را فعال کرده است که در یک فاکتور فرم QSFP-DD قرار می‌گیرند در حالی که کمتر از 25 وات مصرف می‌کنند.

تشخیص منسجم در گیرنده از یک لیزر نوسان ساز محلی استفاده می کند که با فرکانس مشابه سیگنال ورودی تنظیم شده است. این نوسان ساز محلی با سیگنال دریافتی در یک هیبرید نوری مخلوط می شود و یک سیگنال فرکانس متوسط ​​تولید می کند که تمام اطلاعات رمزگذاری شده را حفظ می کند. آشکارسازهای نوری سپس این سیگنال ترکیبی را به حوزه الکتریکی تبدیل می‌کنند، جایی که DSP داده‌های اصلی را از طریق الگوریتم‌های پیچیده‌ای بازسازی می‌کند که فرآیند کدگذاری را معکوس می‌کند و اعوجاج‌های انباشته شده را جبران می‌کند.

 

چرا شبکه های طولانی مدت نیازمند سیستم های منسجم هستند؟

 

شبکه های طولانی-با چالش های منحصر به فردی روبرو هستند که فناوری منسجم را ضروری می کند. این پیوندها معمولاً 1000 تا 10000 کیلومتر را در بر می گیرند و شهرها، کشورها و قاره ها را از طریق مسیرهای فیبر زمینی و کابل های زیردریایی به هم متصل می کنند.

تضعیف سیگنال به صورت خطی با فاصله افزایش می یابد. حتی با استفاده از فیبر بسیار کم- مدرن که به 0.18 دسی بل در هر کیلومتر می رسد، بازه 2000-کیلومتری 360 دسی بل تلفات را جمع می کند. تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده اربیوم{10}}که هر 50{11}}100 کیلومتر قرار می‌گیرند سیگنال را تقویت می‌کنند، اما هر مرحله تقویت نویز اضافه می‌کند که نسبت سیگنال به{15}}را کاهش می‌دهد. یک سیستم نوری منسجم، حساسیت گیرنده 20 دسی بل را در مقایسه با سیستم‌های تشخیص مستقیم به دست می‌آورد و به سیگنال‌ها اجازه می‌دهد تا نویز انباشته‌شده بیشتری را قبل از نیاز به بازسازی نوری-الکتریکی-اپتیکال گران قیمت تحمل کنند.

پراکندگی رنگی باعث می شود که طول موج های مختلف نور با سرعت های کمی متفاوت در فیبر حرکت کند. در فواصل طولانی، این اثر باعث پخش شدن پالس می شود که بیت های مجاور را با هم محو می کند. پراکندگی حالت قطبش زمانی که دو حالت قطبش نور با سرعت های متفاوت حرکت می کنند، مشکلات مشابهی ایجاد می کند. سیستم های قدیمی به ماژول های جبران پراکندگی فیزیکی در هر چند بازه نیاز داشتند که هزینه و پیچیدگی را اضافه می کرد. DSPهای منسجم هر دو نوع پراکندگی را صرفاً در حوزه الکترونیکی کنترل می‌کنند و نیاز به این اجزای نوری را از بین می‌برند و امکان استقرار روی فیبری را که قبلاً غیرقابل استفاده بودند، می‌سازند.

استدلال اقتصادی برای فناوری منسجم در فواصل بیش از 200 کیلومتر قانع کننده می شود. یک ماژول قابل اتصال منسجم 400G ZR بیش از یک ماژول PAM4 معادل هزینه دارد، اما چندین سایت تقویت و بازسازی مورد نیاز سیستم های تشخیص مستقیم را حذف می کند. اپراتورهای شبکه گزارش می‌دهند که سیستم‌های منسجم تعداد بازسازی‌کننده‌های خطی را تا 40-60% در مسیرهای طولانی کاهش می‌دهد، با هر سایت احیا شده اجتناب‌شده، 500000 تا 2 میلیون دلار در هزینه تجهیزات و املاک صرفه‌جویی می‌کند.

سیستم‌های مسافت طولانی-مدرن، چندین طول موج را به طور همزمان با استفاده از مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم کار می‌کنند. یک سیستم DWDM باند C معمولی 80-96 کانال با فاصله 50 گیگاهرتز را حمل می کند. راندمان طیفی برتر فناوری منسجم، فاصله کانال ها را بدون تداخل نزدیک تر می کند. شبکه‌هایی که از معماری شبکه انعطاف‌پذیر استفاده می‌کنند می‌توانند دقیقاً پهنای طیف مورد نیاز هر کانال را تخصیص دهند، کانال‌ها را تا 37.5 گیگاهرتز از هم جدا کنند و ظرفیت کل فیبر را 25 تا 30 درصد در مقایسه با سیستم‌های شبکه ثابت افزایش دهند.

 

معماری فنی یک سیستم نوری منسجم

 

یک پیوند کاملاً منسجم طولانی-شامل فرستنده، دهانه فیبر، تقویت‌کننده‌های خطی، و اجزای گیرنده است که به طور هماهنگ کار می‌کنند.

فرستنده با یک لیزر حفره خارجی قابل تنظیم شروع می شود که نور منسجم با عرض خط باریک-معمولاً در باند C-1550-نانو متری تولید می کند. پهنای خط زیر 100 کیلوهرتز پایداری فاز را در فاصله انتقال تضمین می کند. یک مدولاتور IQ-در واقع دو مدولاتور ماخ تودرتو-مدولاتور Zehnder-به طور جداگانه اجزای فاز و مربع سیگنال نوری را کنترل می‌کند. DSP این مدولاتور را با شکل‌های موج الکتریکی دقیقی هدایت می‌کند که بسته به بودجه پیوند، داده‌ها را با استفاده از قالب‌های مدولاسیون مانند DP-QPSK، 16-QAM یا 64-QAM کدگذاری می‌کند.

گستره فیبر در شبکه‌های زمینی معمولاً 80-100 کیلومتر بین سایت‌های تقویت‌کننده اندازه‌گیری می‌کند، که توسط تلفات انباشته و افزایش تقویت‌کننده موجود محدود می‌شود. به دلیل کنترل بهتر مسیریابی فیبر و کاهش تلفات اتصال، سیستم‌های زیردریایی به دهانه‌های کمی طولانی‌تر 100-120 کیلومتری دست می‌یابند. فیبر خود به طور قابل توجهی تکامل یافته است، با مشخصات G.654.E که فیبر منطقه موثر بزرگی را تعریف می کند که اثرات غیرخطی را کاهش می دهد و فیبر بسیار کم تلفات به 0.16 دسی بل در هر کیلومتر می رسد.

تقویت کننده های درون خطی سیگنال را در هر بازه بدون تبدیل به حوزه الکتریکی تقویت می کنند. تقویت‌کننده‌های فیبر دوپ‌شده اربیوم-در سیستم‌های باند C غالب هستند و 20-30 دسی بل افزایش می‌دهند. EDFAهای باند L ظرفیت را تا محدوده 1565-1625 نانومتری گسترش می‌دهند، در حالی که تقویت‌کننده رامان توزیع شده، قدرت را از طریق فیبر انتقال به عقب پمپ می‌کند تا بهره با ارقام نویز کمتری ارائه دهد. سیستم‌های پیشرفته از پیکربندی‌های EDFA ترکیبی{10}}رامان برای بهینه‌سازی نسبت سیگنال به نویز در کل پیوند استفاده می‌کنند.

گیرنده پیچیدگی فرستنده را منعکس می کند. یک گیرنده منسجم یکپارچه شامل یک لیزر نوسان ساز محلی، هیبرید نوری 90-درجه، آشکارسازهای نوری متعادل، و تقویت کننده های عبوری است. مبدل‌های{4}}آنالوگ با سرعت بالا-به دیجیتال سیگنال‌های شناسایی‌شده را با نرخ‌های بیش از 100 گیگا نمونه در ثانیه نمونه‌برداری می‌کنند. سپس DSP بازیابی ساعت، یکسان سازی کور را برای جبران پراکندگی حالت رنگی و قطبی، بازیابی فاز حامل و رمزگشایی تصحیح خطای جلو انجام می دهد.

تصحیح خطای پیش رو به طور فزاینده ای پیچیده شده است. الگوریتم‌های FEC تصمیم‌گیری نرم مانند شکل‌دهی صورت‌فلکی احتمالی به سود خالص کدگذاری بیش از 11 دسی‌بل دست می‌یابند که به سیگنال‌ها اجازه می‌دهد با نرخ خطای بیت زیر 10^{5}}15 حتی زمانی که نرخ خطای pre-FEC از 10^-2 بیشتر شود، کار کنند. این کدهای پیشرفته معمولاً 20 تا 27 درصد هزینه سربار اضافی دارند، اما دستاوردهای عملکردی این ظرفیت را در مسیرهای طولانی توجیه می کند.

 

مشخصات عملکرد سیستم نوری منسجم

 

سیستم‌های منسجم معاصر به مشخصات چشمگیری دست می‌یابند که با هر نسل فناوری بهبود می‌یابند.

ظرفیت انتقال به شدت کاهش یافته است. بازار از سیستم‌های منسجم 100G در حدود سال 2010 به 200G تا سال 2015 و 400G تا سال 2020 تغییر کرد. DSPهای منسجم نسل ششم کنونی از 800G در هر طول موج پشتیبانی می‌کنند، با فروشندگان پیشرو که 1.2 ترابیت بر ثانیه و 1.6 ترابایت سیستم ADM در 0 ترابیت در ثانیه را نشان می‌دهند. 96 کانال در 400G، 38.4 ترابیت در ثانیه را روی یک جفت فیبر ارائه می دهد. کابل های زیردریایی با 8 جفت فیبر به ظرفیت کل بیش از 300 ترابیت بر ثانیه دست می یابند.

قابلیت های دسترسی به فرمت مدولاسیون و نرخ باود بستگی دارد. یک ماژول 400G ZR با استفاده از DP-16QAM بدون تقویت خطی به 120 کیلومتر می‌رسد که برای شبکه‌های منطقه‌ای مترو مناسب است. مشخصات 400G ZR+ این را با تقویت تا 500 کیلومتر افزایش می دهد. سیستم‌های بهینه‌سازی‌شده برای مسافت‌های طولانی با استفاده از DP-QPSK با نرخ باود پایین‌تر به مسافت‌های بازسازی‌نشده 2000 تا 3000 کیلومتری می‌رسند. سیستم‌های زیردریایی معمولاً بین 6000 تا 10000 کیلومتر بین ایستگاه‌های فرود قرار می‌گیرند که طولانی‌ترین سیستم‌های کابلی بیش از 20000 کیلومتر شامل چندین نقطه فرود است.

بازده طیفی میزان داده ای را که هر واحد طیف حمل می کند اندازه گیری می کند. سیستم های منسجم اولیه 2-3 بیت در ثانیه در هر هرتز به دست آوردند. سیستم‌های مدرن با استفاده از مدولاسیون پیشرفته، شکل‌دهی احتمالی، و فاصله کانال تنگ به 5-7 بیت در ثانیه/هرتز در مسیرهای زمینی می‌رسند. این بهبود راندمان به این معنی است که شبکه‌ها می‌توانند ظرفیت را بدون نصب فیبر اضافی ارتقا دهند، یک مزیت مهم زمانی که نصب فیبر 50000 تا 150000 دلار در هر کیلومتر در مناطق شهری هزینه دارد.

مصرف برق حتی با بهبود عملکرد به طور چشمگیری کاهش یافته است. کارت‌های خط منسجم نسل اول 300-500 وات برای ظرفیت 100G یا 3-5 وات در هر گیگابیت مصرف می‌کنند. ماژول های قابل اتصال 400G کنونی 15-20 وات مصرف می کنند که به 50-80 میلی وات در هر گیگابیت می رسد. این بهبود 50 برابری در بهره وری انرژی، هزینه های عملیاتی و نیازهای خنک کننده را هم در اتاق های تجهیزات شبکه و هم در تکرارکننده های زیردریایی که در آن قدرت الکتریکی به شدت محدود می شود، کاهش می دهد.

تأخیر از طریق سیستم های منسجم در مقایسه با سرعت اساسی نور در فیبر، حداقل سربار را اضافه می کند. پردازش DSP بسته به پیاده سازی 50-200 میکروثانیه تاخیر ایجاد می کند. در یک پیوند 3000 کیلومتری که تاخیر انتشار اساسی 15 میلی ثانیه است، این تنها 0.3-1.3 درصد سربار را نشان می دهد. پیاده‌سازی‌های پیشرفته به تغییرات تأخیر زیر 10 نانوثانیه دست می‌یابند که برای تجارت مالی و برنامه‌های 5G fronthaul حیاتی است.

 

سناریوهای استقرار و موارد استفاده

 

سیستم‌های منسجم طولانی{0}}به چندین بخش شبکه مجزا خدمت می‌کنند که هر کدام نیازمندی‌های خاصی دارند.

شبکه‌های هسته‌ای زمینی ستون فقرات را تشکیل می‌دهند که کلان‌شهرهای اصلی را به هم متصل می‌کند. ارائه‌دهندگان خدمات مانند AT&T، Verizon، و China Telecom این شبکه‌ها را برای جمع‌آوری ترافیک از شبکه‌های مترو و ارائه اتصال در سراسر کشور اداره می‌کنند. مسیرها معمولاً 1000-2500 کیلومتر بین شهرهای بزرگ را در بر می‌گیرند، با نقاط سقوط میانی-با استفاده از مالتی پلکسرهای نوری افزودنی قابل تنظیم مجدد. یک سیستم نوری منسجم در این مسیرها معمولاً طول موج های 400G را با برنامه هایی برای ارتقاء به 800G با افزایش ترافیک به کار می گیرد. اپراتورهای شبکه برای برنامه‌ریزی فرستنده‌های گیرنده منسجم ارزش قائل هستند که می‌توانند فرمت مدولاسیون و نرخ باود را برای بهینه‌سازی ظرفیت در مقابل دسترسی بر اساس شرایط فیبر واقعی تنظیم کنند.

سیستم‌های کابلی زیردریایی نشان‌دهنده‌ترین استقرار منسجم هستند. کابل های ماوراء اقیانوسی مدرن به طول کل 15000 تا 20000 کیلومتر با نقاط فرود متعدد دست می یابند. کابل MAREA که ویرجینیا را به اسپانیا متصل می کند 6600 کیلومتر است و ظرفیت 200 ترابیت بر ثانیه را با استفاده از کانال های منسجم 100G ارائه می دهد. سیستم‌های جدیدتری که در سال‌های 2024-2025 مستقر شده‌اند، از طول موج‌های 400G و 800G برای رسیدن به ظرفیت 500+ ترابیت بر ثانیه استفاده می‌کنند. این سیستم‌ها به قابلیت اطمینان استثنایی با میانگین زمان بین خرابی‌های بیش از 25 سال نیاز دارند، زیرا تعمیرات زیر دریا برای هر حادثه 1 تا 3 میلیون دلار هزینه دارد و ممکن است ماه‌ها طول بکشد تا در آب‌های عمیق تکمیل شود. تکرارکننده هایی که هر 50 تا 80 کیلومتر فاصله دارند، برای چندین دهه بدون تعمیر کار می کنند.

ارتباطات متقابل مراکز داده به طور فزاینده ای از فناوری منسجم استفاده می کنند، زیرا مقیاس کننده های بزرگ شبکه های خصوصی را برای اتصال امکانات جهانی خود ایجاد می کنند. متا، گوگل، آمازون و مایکروسافت در مجموع هزاران کیلومتر فیبر مسافت طولانی را اداره می‌کنند که ده‌ها پردیس مرکز داده را به هم متصل می‌کند. این شبکه ها تأخیر کم و ظرفیت عظیم را بر کارایی هزینه در اولویت قرار می دهند. پیوندهای منطقه‌ای 200-500 کیلومتری از پلاگین‌های +400G ZR استفاده می‌کنند که مستقیماً در روترها و سوئیچ‌ها ادغام شده‌اند و قفسه‌های فرستنده جداگانه را حذف می‌کنند. مسیرهای ستون فقرات طولانی‌تر، سیستم‌های منسجم تعبیه‌شده با کارایی بالاتر را با طول‌موج‌های 800G تا 1.6 ترابیت بر ثانیه مستقر می‌کنند.

شبکه های تحقیقاتی و آموزشی بخش استقرار قابل توجه دیگری را ارائه می دهند. سازمان‌هایی مانند Internet2 در ایالات متحده و GÉANT در اروپا، شبکه‌های طولانی-را پشتیبانی می‌کنند که از اتصال دانشگاه و مؤسسه تحقیقاتی پشتیبانی می‌کنند. این شبکه‌ها پیشگام بسیاری از پذیرش فناوری منسجم بودند و بسترهای آزمایشی را برای قالب‌های مدولاسیون جدید و قابلیت‌های شبکه‌ای تعریف‌شده نرم‌افزاری- فراهم کردند. نیاز جامعه علمی به انتقال داده‌های عظیم-آزمایش‌های فیزیک ذرات پتابایت‌ها در روز تولید می‌کنند-به‌روزرسانی مداوم ظرفیت را افزایش می‌دهد.

 

 

رشد بازار و محرک های اقتصادی

 

بازار منسجم تجهیزات نوری نشان دهنده رشد قوی ناشی از تقاضای سیری ناپذیر پهنای باند است.

اندازه بازار بسته به تعریف دقیق بازار در سال 2024 به 16.9-28.8 میلیارد دلار رسید و پیش‌بینی‌ها حاکی از رشد به 29.7-51.4 میلیارد دلار تا سال 2032-2033 است. این نرخ رشد سالانه مرکب 5.3-12.4٪ را نشان می دهد، با نرخ های رشد بالاتر در بخش های باریک تعریف شده مانند اتصال دهنده های منسجم. تغییرات در برآوردها منعکس کننده رویکردهای روش شناختی مختلف برای تعیین مرزهای بازار است، اما همه تحلیل ها بر رشد دو رقمی قوی توافق دارند.

بر اساس تحلیل سیسکو، ترافیک اینترنت به گسترش تصاعدی ادامه می‌دهد و سالانه 25 تا 30 درصد افزایش می‌یابد. پخش ویدیو بیش از 82 درصد از ترافیک اینترنت مصرف کننده را تشکیل می دهد، با فرمت های 4K و 8K در حال ظهور که به 15-45 مگابیت در ثانیه در هر جریان نیاز دارند. بازی‌های ابری، واقعیت مجازی و برنامه‌های کاربردی متاورس در حال ظهور، پهنای باند بالا با تأخیر کم را طلب می‌کنند. انتقال به کار از راه دور در طول سال‌های 2020-2022 ترافیک کنفرانس‌های ویدئویی تجاری و استفاده از سرویس ابری را برای همیشه افزایش داد.

گسترش شبکه 5G نیازمندی های پهنای باند گسترده ای را در لبه های شبکه و زیرساخت های بک هال ایجاد می کند. یک سایت سلول 5G منفرد می‌تواند 10-100 گیگابیت بر ثانیه ترافیک در دوره‌های اوج تولید ایجاد کند که به انتقال نوری منسجم برای جمع‌آوری این ترافیک به سمت شبکه اصلی نیاز دارد. اتصالات جهانی 5G در سال 2024 از 1.5 میلیارد فراتر رفت و تا سال 2028 به 5.9 میلیارد خواهد رسید که باعث رشد مشابه در ظرفیت حمل و نقل نوری می شود.

توسعه مرکز داده، تقاضای تجهیزات منسجمی را افزایش می‌دهد، زیرا مقیاس‌کننده‌های بزرگ زیرساخت محاسباتی توزیع‌شده را برای پشتیبانی از آموزش و استنتاج هوش مصنوعی می‌سازند. آموزش مدل‌های زبان بزرگ نیازمند پردازش موازی در بین ده‌ها هزار GPU است که با شبکه‌های با پهنای باند فوق-بالا-به هم متصل هستند. اپراتورهای مراکز داده در طول سال 2024 بیش از 200 میلیارد دلار در هزینه سرمایه گذاری کردند که اتصالات نوری 8 تا 12 درصد از این هزینه را تشکیل می دهند.

مهاجرت سرویس ابری هیچ نشانه ای از کند شدن را نشان نمی دهد. مهاجرت حجم کار سازمانی به پلتفرم‌های ابری در طول همه‌گیری سرعت گرفت و همچنان که سازمان‌ها از معماری‌های ابری ترکیبی و چند{1}} استفاده می‌کنند. این تغییر ساختاری، ترافیک را در شبکه‌های اصلی ارائه‌دهنده ابر متمرکز می‌کند، که همگی به شدت بر-سیستم‌های نوری منسجم طولانی‌مدت برای اتصال زیرساخت‌های توزیع شده جهانی خود متکی هستند.

گسترش جغرافیایی زیرساخت اینترنت، استقرار منسجم را در مناطق در حال توسعه ایجاد می کند. آسیای جنوب شرقی، آفریقا و آمریکای لاتین در حال ساخت ایستگاه‌های فرود کابلی زیردریایی و شبکه‌های زمینی{1} طولانی برای بهبود اتصال منطقه‌ای هستند. سرمایه گذاری های کابل زیردریایی در این مناطق بیش از 5 میلیارد دلار در سال است، با اکثر سیستم های جدید از فناوری منسجم از ابتدا به جای ارتقاء سیستم های قدیمی استفاده می کنند.

 

چشم انداز رقابتی و فروشندگان کلیدی

 

بازار منسجم تجهیزات نوری دارای ترکیبی از فروشندگان تثبیت شده تجهیزات مخابراتی و تامین کنندگان تخصصی قطعات نوری است.

Ciena با معرفی فناوری منسجم 40G در سال 2008 پیشگام سیستم‌های منسجم تجاری بود و رهبری فناوری را از طریق نسل‌های متوالی WaveLogic حفظ کرد. پلتفرم WaveLogic 6 که در سال 2024 معرفی شد به 1.6 ترابایت بر ثانیه در هر طول موج دست می یابد و هم کارت های خط تعبیه شده و هم ماژول های قابل اتصال را تامین می کند. Ciena تقریباً 18 تا 22 درصد از سهم بازار را در سیستم های حمل و نقل نوری منسجم دارد.

پلتفرم موتور خدمات فوتونیکی نوکیا (PSE) هم به برنامه های زمینی و هم زیردریایی خدمت می کند. قدرت این شرکت در طراحی و یکپارچه سازی شبکه، مجموعه فناوری منسجم آن را تکمیل می کند. نوکیا به ویژه در سیستم‌های زیردریایی تسلط دارد و پایانه‌های خطوط نوری را برای بیش از ۷۰ درصد پروژه‌های کابل زیردریایی جدید که طی سال‌های ۲۰۲۲-۲۰۲۴ اعطا شده است، طراحی یا عرضه کرده است.

هوآوی با ۲۵-30 درصد در سطح جهان، بیشترین سهم بازار کلی را حفظ می‌کند، اگرچه موقعیت آن به‌دلیل عوامل ژئوپلیتیکی به‌طور قابل‌توجهی در هر منطقه متفاوت است. رویکرد یکپارچه این شرکت به زیرساخت‌های شبکه و سیستم‌های نوری برای اپراتورهایی که به دنبال راه‌حل‌های تک-فروشنده هستند، جذاب است. پلت فرم OptiXtrans هواوی از طول موج 400G تا 1.6 Tbps در برنامه های مترو، منطقه ای و طولانی مدت پشتیبانی می کند.

Infinera به طور انحصاری بر روی شبکه های نوری تمرکز دارد و یکپارچه سازی عمودی اجزای نوری را پیشگام کرده است. این شرکت مدارهای مجتمع فوتونیک خود را تولید می کند و عملکردهای نوری متعدد را روی یک تراشه برای کاهش هزینه و بهبود عملکرد ترکیب می کند. فناوری منسجم ICE6 Infinera از طول موج های 800G پشتیبانی می کند و بازارهای ارائه دهنده خدمات و مراکز داده را هدف قرار می دهد.

سیسکو از طریق خرید Acacia Communications در سال 2021 وارد بازار منسجمی شد و فناوری DSP منسجم پیشرو در صنعت-به دست آورد. رویکرد فوتونیک سیلیکونی آکاسیا امکان ساخت-حجم و هزینه کم- ماژول های منسجم را فراهم می کند. Cisco این ماژول‌ها را در پلتفرم‌های مسیریابی خود ادغام می‌کند و راه‌حل‌های IP به‌هم‌پیوسته-روی-DWDM را ایجاد می‌کند که در بین اپراتورهای مرکز داده مقیاس- وب محبوبیت دارد.

بخش ماژول منسجم قابل اتصال، پویایی رقابتی متفاوتی را نشان می دهد. مارول تراشه‌های DSP مورد استفاده در بیش از 40 درصد از ماژول‌های قابل اتصال منسجم را تامین می‌کند و به عنوان یک ارائه‌دهنده سیلیکون تجاری برای تولیدکنندگان چند ماژول عمل می‌کند. Coherent Corp (قبلاً II-VI)، Lumentum و Broadcom ماژول‌های کاملی را با استفاده از تأمین‌کنندگان مختلف DSP و سیلیکون فوتونیک تولید می‌کنند. NeoPhotonics که در سال 2022 توسط Broadcom خریداری شد، قابلیت های قوی در لیزرهای قابل تنظیم و ادغام فوتونیک به ارمغان آورد.

فروشندگان نوظهور چینی از جمله HiSilicon، ZTE و Fiberhome در حال به دست آوردن سهمی در استقرار داخلی چین هستند زیرا این کشور استقلال فناوری را دنبال می کند. این فروشندگان از حمایت قابل توجه دولت برای توسعه فناوری نوری بومی و دسترسی ترجیحی به بازار عظیم داخلی چین بهره می برند.

 

تکامل فناوری و جهت گیری های آینده

 

فناوری نوری منسجم به تکامل سریع در ابعاد مختلف ادامه می دهد.

پیشرفت فرمت مدولاسیون در عین مدیریت پیچیدگی، بازده طیفی را بالاتر می برد. شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی توزیع نمادهای ارسالی را برای مطابقت بیشتر با ظرفیت کانال بهینه می‌کند و 0.5{5}}1.5 دسی‌بل عملکرد بهتری نسبت به قالب‌های صورت فلکی یکنواخت دارد. شکل‌دهی هندسی به جای احتمال نماد، قرارگیری نقطه صورت فلکی را تغییر می‌دهد و دستاوردهای مشابهی با پیچیدگی اجرای کمتر ارائه می‌دهد. سیستم های تحقیقاتی 256-QAM و فرمت های مرتبه بالاتر را نشان داده اند، اگرچه به دلیل حساسیت به نویز، استقرار عملی به ندرت از 64-QAM فراتر می رود.

فناوری فرعی دیجیتال هر طول موج را به چندین زیرحامل باریکتر تقسیم می کند که هر کدام دارای مدولاسیون و کدگذاری مستقل هستند. این رویکرد یکسان سازی را ساده می کند، دانه بندی ظرفیت ریزتر را امکان پذیر می کند و تحمل به غیر خطی بودن فیبر را بهبود می بخشد. سیستم‌هایی که از 2 تا 8 حامل فرعی در هر طول موج استفاده می‌کنند، وارد استقرار تجاری شده‌اند، با نمایش‌های تحقیقاتی که مزایایی را تا 16 زیرحامل نشان می‌دهد.

مالتی پلکس تقسیم فضایی مرز بعدی را برای مقیاس بندی ظرفیت نشان می دهد. فیبر چند هسته‌ای 4-12 هسته مجزا را در یک روکش فیبر قرار می‌دهد و ظرفیت را به طور متناسب ضرب می‌کند. نوارهای الیافی بدون بسته مزایای مشابهی با الیاف تک هسته‌ای معمولی- دارند. تعداد کمی از فیبر حالت‌ها از 3-6 حالت فضایی در هر هسته پشتیبانی می‌کنند، اگرچه جفت حالت چالش‌های برابری ایجاد می‌کند. استقرار تجاری محدود به کاربردهای تخصصی است، اما سیستم‌های زیردریایی که پس از سال 2025 مستقر می‌شوند ممکن است از فیبر چند هسته‌ای برای به حداکثر رساندن ظرفیت محصول استفاده کنند.

گسترش طیفی فراتر از باند C{0}}با استفاده از زیرساخت فیبر موجود ظرفیت اضافه می‌کند. سیستم‌های باند C+L در 10-11 THz طیف از 1530-1625 نانومتر عمل می‌کنند که تعداد کانال‌ها را در مقایسه با سیستم‌های فقط باند C دو برابر می‌کند. باند S (1460-1530 نانومتر) 7 هرتز دیگر طیف را ارائه می‌دهد، اگرچه فناوری تقویت‌کننده کم‌کم‌تر است. تحقیقات نشان داده است که انتقال در طول 16 THz از باندهای ترکیبی S+C+L، ظرفیت چهار برابری در مقایسه با باند C به تنهایی دارد.

شبکه تعریف‌شده{0}}نرم‌افزار و تفکیک شبکه در حال تغییر شکل نحوه استقرار و مدیریت اپراتورهای سیستم‌های منسجم است. سیستم‌های خط باز، سخت‌افزار پایانه خط نوری را از نرم‌افزار مدیریت جدا می‌کنند و قابلیت همکاری چند فروشنده را ممکن می‌سازند. ابتکار OOPT (انتقال بسته نوری باز) پروژه Telecom Infra، API های باز را برای کنترل فرستنده های منسجم تعریف می کند. این پیشرفت‌ها قفل فروشنده را کاهش می‌دهد-و اپراتورها را قادر می‌سازد ظرفیت را بهینه کنند-به صورت پویا بر اساس الگوهای ترافیک واقعی به معاوضه برسند.

هوش مصنوعی و یادگیری ماشین در بهینه سازی سیستم منسجم کاربردهایی پیدا می کنند. الگوریتم‌های هوش مصنوعی می‌توانند قالب‌های مدولاسیون بهینه و قدرت‌های راه‌اندازی را بر اساس شرایط فیبر زمان واقعی پیش‌بینی کنند و ظرفیت را 5-15 درصد در مقایسه با پیکربندی‌های استاتیک بهبود بخشند. مدل‌های یادگیری ماشینی الگوهای تخریب نامحسوس را در کیفیت سیگنال دریافتی شناسایی می‌کنند و امکان تعمیر و نگهداری پیش‌بینی‌شده را فراهم می‌کنند که از خرابی‌های{6}}تاثیر سرویس جلوگیری می‌کند. بهینه‌سازی در سطح شبکه با استفاده از یادگیری تقویتی، توان کل شبکه را در عین رعایت محدودیت‌های لینک فردی به حداکثر می‌رساند.

ارتباطات کوانتومی و رمزنگاری پست{0}}کوانتومی بر طراحی سیستم منسجم آینده تأثیر خواهد گذاشت. سیستم‌های توزیع کلید کوانتومی می‌توانند در کنار کانال‌های منسجم کلاسیک روی یک فیبر اجرا شوند، اگرچه سطوح توان بسیار پایین آنها نیاز به مدیریت دقیق تداخل دارد. الگوریتم‌های رمزنگاری کوانتومی پست{3}}به قدرت محاسباتی بالاتری نیاز دارند و به طور بالقوه به DSPهای توانمندتری در سیستم‌های آینده برای انجام رمزگذاری و رمزگشایی با نرخ خط نیاز دارند.

 

چالش ها و راه حل های پیاده سازی

 

استقرار سیستم‌های منسجم{0}}طولانی مستلزم پیمایش چندین چالش فنی و عملیاتی است.

تنوع کارخانه فیبر باعث ایجاد عدم اطمینان در عملکرد سیستم می شود. فیبر نصب شده در دهه 1990 و اوایل دهه 2000 در مقایسه با فیبر مدرن تلفات، تغییرات شیب پراکندگی و تلفات وابسته به قطبش{3}} بالاتری را نشان می دهد. اپراتورها به ندرت مشخصات دقیقی از کل کارخانه فیبر خود دارند که برنامه ریزی ظرفیت را دشوار می کند. راه‌حل‌ها شامل سیستم‌های تست خودکار است که به طور مداوم پارامترهای فیبر را اندازه‌گیری می‌کند و فرستنده گیرنده‌های تطبیقی ​​که حالت عملکرد خود را بر اساس شرایط پیوند واقعی تنظیم می‌کنند.

اپراتورهای شبکه با تصمیمات چالش برانگیز برای ارتقای نیازهای ظرفیت، بلوغ فناوری و محدودیت های بودجه مواجه هستند. ارتقاء سیستم‌های 100G به 400G ظرفیت 4× را ارائه می‌کند اما نیاز به سرمایه‌گذاری در تجهیزات ترمینال جدید دارد. وسوسه انتظار برای فناوری 800G یک فلج برنامه ریزی ایجاد می کند که می تواند شبکه ها را شلوغ کند. رویکردهای عملی شامل ارتقای انتخابی در مسیرهای شلوغ و در عین حال حفظ سیستم‌های با ظرفیت کمتر در مسیرهای کم بار است. تمایل فروشندگان برای ارائه ظرفیت-بر اساس درخواست{11}در جایی که سخت‌افزار با قابلیت 400G ارسال می‌شود اما در ابتدا در 100G یا 200G فعال می‌شود{15}}به مدیریت ریسک کمک می‌کند.

قابلیت همکاری بین تجهیزات فروشنده علیرغم تلاش‌های استانداردسازی ناقص است. مشخصات OIF 400ZR و 800ZR ماژول های قابل اتصال را تعریف می کنند، اما فروشندگان ویژگی های اختیاری را متفاوت اجرا می کنند. عملکردهای پیشرفته مانند توزیع زمان بندی شبکه و پشتیبانی از طول موج بیگانه نیاز به اعتبارسنجی دقیق دارند. اپراتورهای محتاط امکانات آزمایشی را حفظ می‌کنند که قابلیت همکاری را قبل از استقرار تولید تأیید می‌کند، و بسیاری از جفت‌های فروشنده منطبق در نقاط پایانی پیوند حتی زمانی که از واسط‌های{5} سازگار با استانداردها استفاده می‌کنند، استفاده می‌کنند.

محدودیت های برق و سرمایش در تاسیسات شبکه، استقرار سیستم های{0} با ظرفیت بالا را محدود می کند. یک سیستم طول موج متراکم کاملاً مجهز می‌تواند 10-20 کیلووات در هر رک مصرف کند که از ظرفیت تحویل برق بسیاری از دفاتر مرکزی قدیمی‌تر بیشتر است. سیستم های خنک کننده طراحی شده برای تجهیزات کم مصرف نمی توانند بار حرارتی را تحمل کنند. ارتقاء تسهیلات برای پشتیبانی از تجهیزات منسجم مدرن 500000 تا 2 میلیون دلار برای هر سایت هزینه دارد که گاهی اوقات از هزینه خود تجهیزات نوری بیشتر است.

 

سوالات متداول

 

حداکثر فاصله برای سیستم های نوری منسجم چقدر است؟

حداکثر فاصله تولید نشده به فرمت مدولاسیون و نرخ خط بستگی دارد. سیستم‌هایی که از مدولاسیون DP-QPSK استفاده می‌کنند می‌توانند بدون بازسازی نوری-الکتریکی- به 2000-3000 کیلومتر برسند. سیستم‌های زیردریایی به طور معمول بیش از 6000-10000 کیلومتر بین نقاط بازسازی را با استفاده از DSP بهینه‌سازی شده و FEC پیشرفته کار می‌کنند. طولانی‌ترین کابل‌های زیردریایی بیش از 20000 کیلومتر از سرتاسر طول دارند، اما شامل مکان‌های بازسازی میانی هستند.

فناوری منسجم چگونه با مدولاسیون PAM4 مقایسه می شود؟

مدولاسیون PAM4 هزینه و مصرف انرژی کمتری را برای مسافت های زیر 100 کیلومتر ارائه می دهد و آن را برای اتصالات مرکز داده ایده آل می کند. فناوری منسجم هزینه بیشتری دارد اما دسترسی و بازده طیفی برتر را برای مسافت‌های بیش از 200 کیلومتر فراهم می‌کند. نقطه متقاطع به الزامات پیوند خاص بستگی دارد، اما بیشتر برنامه‌های کاربردی مسافت طولانی‌تر از 500 کیلومتر به فناوری منسجمی برای دستیابی به نسبت سیگنال کافی به-نیاز دارند.

سیستم های منسجم مدرن از چه قالب های مدولاسیونی استفاده می کنند؟

قالب‌های رایج عبارتند از DP{0}}QPSK (4 بیت در هر نماد) برای حداکثر دسترسی، DP-16QAM (8 بیت در هر نماد) برای عملکرد متعادل و DP-64QAM (12 بیت در هر نماد) برای حداکثر ظرفیت در فواصل کوتاه‌تر. سیستم‌های پیشرفته از شکل‌دهی صورت فلکی احتمالی برای بهینه‌سازی توزیع نمادها استفاده می‌کنند. فرمت بهینه به فاصله پیوند، کیفیت فیبر و نیازهای ظرفیت بستگی دارد، با بسیاری از سیستم ها که می توانند فرمت ها را به صورت پویا تغییر دهند.

آیا سیستم های منسجم می توانند کارخانه های فیبر موجود را ارتقا دهند؟

فناوری منسجم با فیبر نصب شده در دهه 1990 و بعد کار می کند، حتی زمانی که این فیبر در ابتدا برای سیستم های 2.5G یا 10G طراحی شده بود. DSP اثرات پراکندگی رنگی و قطبش را به صورت الکترونیکی جبران می کند و ماژول های جبران پراکندگی مورد نیاز سیستم های قدیمی را حذف می کند. فیبرهای بسیار قدیمی از دهه 1980 ممکن است تلفات بیش از حد یا اتلاف وابسته به قطبش{6}} داشته باشند که ظرفیت قابل استفاده را محدود می‌کند، اما اکثر فیبرهای تجاری از سال 1995 به بعد از انتقال منسجم مدرن پشتیبانی می‌کنند.

ظرفیت شبکه از سال 2020 تا 2024 سالانه 25 تا 30 درصد افزایش یافته است که ناشی از پخش ویدئو، خدمات ابری و کار از راه دور است. پروژه ارائه دهندگان خدمات به رشد سالانه 20 تا 25 درصدی تا سال 2028 ادامه داد و برنامه های کاربردی هوش مصنوعی به طور بالقوه این روند را تسریع کردند. انتقال از سیستم‌های منسجم 100G به 400G تا حد زیادی در مسیرهای اصلی کامل شده است، با استقرار 800G در سال‌های 2024-2025.

سیستم‌های نوری منسجم قابلیت‌های شبکه‌های طولانی-را در 15 سال گذشته تغییر اساسی داده‌اند. توانایی این فناوری برای انتقال 100G به 1.6 ترابیت بر ثانیه در طول هزاران کیلومتر با کاهش هزینه برای هر بیت، اتصال جهانی را که برنامه های کاربردی مدرن می طلبد را امکان پذیر می کند. از آنجایی که نیازمندی های پهنای باند به رشد بی وقفه خود ادامه می دهند، سیستم نوری منسجم زیرساخت ضروری برای حمایت از اقتصاد دیجیتال باقی خواهد ماند.