الدليل الفني التفصيلي لتقنية جهاز الإرسال والاستقبال BiDi

ما هو جهاز الإرسال والاستقبال BiDi

A جهاز الإرسال والاستقبال ثنائي الاتجاه(اختصار لجهاز الإرسال والاستقبال ثنائي الاتجاه)، المعروف أيضًا باسم أوحدة SFP ثنائية الاتجاه، هوجهاز إرسال واستقبال الألياف الضوئيةالتي تمكنالتواصل ثنائي الاتجاهعلى حبلا من الألياف واحدة. على عكس وحدات الألياف الضوئية التقليدية المزدوجة-،أجهزة الإرسال والاستقبال بيدي SFPاستخدام تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) لنقل الإشارات في وقت واحد بأطوال موجية مختلفة داخل نفس الألياف، وبالتالي الحفاظ على موارد الألياف. هذه التكنولوجيا منتشرة حاليا على نطاق واسع فيFTTHشبكات الوصول، والوصلات البينية لمراكز البيانات، وشبكات الحرم الجامعي للمؤسسة، والسيناريوهات الأخرى.
 

مبدأ العمل لوحدات BiDi SFP

المكون الأساسي لوحدة بيدي SFPهو مرشح WDM (ويسمى أيضًا وحدة الطباعة على الوجهين أو وحدة الطباعة على الوجهين). يقوم هذا الجهاز بفصل ودمج الإشارات الضوئية بأطوال موجية مختلفة، مما يتيح ذلكاتصال ثنائي الاتجاه.-على حبلا من الألياف واحدة.

عملية العمل المحددة: يولد ليزر جهاز الإرسال إشارة ضوئية بطول موجة محدد (مثلألياف 1310 نانومتر) ، والتي تقترن بالألياف من خلال مرشح WDM ويتم نقلها. في الوقت نفسه، يتم فصل الإشارة الضوئية ذات الطول الموجي الآخر (مثل 1550 نانومتر) المستلمة من الألياف بواسطة مرشح WDM وإرسالها إلى الكاشف الضوئي لتحويلها إلى إشارة كهربائية.

أجهزة الإرسال والاستقبال بيدي SFPيجب أن تستخدم في أزواج. إذا كان الطرف A يرسل عند 1310 نانومتر ويستقبل عند 1550 نانومتر، فيجب أن يرسل الطرف B عند 1550 نانومتر ويستقبل عند 1310 نانومتر. سيؤدي الاقتران غير الصحيح للطول الموجي إلى منع إنشاء الارتباط. تتضمن مجموعات الطول الموجي الشائعة: 1310 نانومتر/1490 نانومتر، 1310 نانومتر/1550 نانومتر، 1270 نانومتر/1330 نانومتر، وغيرها.

مجموعات الطول الموجي المختلفة مناسبة لمسافات نقل مختلفة. يتم استخدام مجموعة 1310 نانومتر/1550 نانومتر بشكل شائع للإرسال لمسافات متوسطة إلى طويلة - (20-120 كم) لأن هذين الطولين الموجيين لهما توهين أقل في الألياف ذات الوضع الفردي -؛ يتم استخدام 1270 نانومتر/1330 نانومتر بشكل أساسي لتطبيقات 10G ومعدل أعلى لتطبيقات المسافات القصيرة إلى المتوسطة (10-40 كم).

الهيكل الداخلي لوحدات BiDi SFP

وحدات بيدي SFPتتكون بشكل رئيسي من المكونات التالية:

TOSA (التجميع الفرعي البصري لجهاز الإرسال): يحتوي على صمام ثنائي ليزر (LD) ودائرة محركة، مسؤولة عن تحويل الإشارات الكهربائية إلى إشارات ضوئية بطول موجي محدد. تشتمل أجهزة الليزر الشائعة على ليزر DFB (التغذية المرتدة الموزعة) وأشعة ليزر FP (Fabry-Perot). تتمتع أجهزة ليزر DFB بثبات ممتاز في الطول الموجي وهي مناسبة للإرسال لمسافات طويلة-. تعد أجهزة الليزر FP-فعّالة من حيث التكلفة وتستخدم في الغالب لتطبيقات المسافات القصيرة-.

ROSA (التجميع الفرعي البصري لجهاز الاستقبال): يحتوي على كاشف ضوئي (PIN أو APD) ودائرة مضخم أولي، مسؤول عن تحويل الإشارات الضوئية المستقبلة إلى إشارات كهربائية. يتم استخدام كاشفات PIN للتطبيقات التقليدية، بينما تتمتع كاشفات APD بحساسية أعلى ويتم استخدامها للإرسال لمسافات طويلة-.

مرشح WDM: المكون الحاسم في وحدات BiDi، باستخدام تقنية مرشح الأغشية الرقيقة- أو تقنية الشبكة لفصل الإشارات الضوئية المرسلة والاستقبالية بأطوال موجية مختلفة. يؤثر أداء المرشح بشكل مباشر على فقدان إدخال الوحدة ومواصفات العزل. يمكن للمرشحات عالية الجودة- تحقيق عزل للقناة يزيد عن 30 ديسيبل، مما يضمن عدم تداخل إشارات الإرسال والاستقبال مع بعضها البعض.

لوحة الدوائر والواجهة: يوفر إدارة الطاقة، ومعالجة الإشارات، ووظائف DDM (مراقبة التشخيص الرقمي). متوافق مع معايير مثل SFF-8472، فهو يسمح بقراءة معلمات الوحدة مثل درجة الحرارة والجهد والطاقة الضوئية من خلال واجهة I²C.

يتم تعبئة الوحدة بأكملها في أغلفة SFP أو SFP+ أو QSFP أو غيرها من المساكنSCأوإل سيواجهات بسيطة في الميناء.
 

مزايا أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi SFP

انخفاض استخدام الألياف: يعمل حل نقل الألياف-المفرد على تقليل استخدام الألياف بنسبة 50%، مما يوفر مزايا كبيرة في المشروعات التي تكون فيها موارد الألياف محدودة أو تكون تكاليف الكابلات مرتفعة. خاصة في سيناريوهات النشر واسعة النطاق-مثل شبكات المناطق الحضرية وشبكات الوصول إلى FTTH، يكون التوفير في تكلفة الألياف أمرًا كبيرًا. أظهرت دراسة حالة لمركز بيانات أن اعتماد حل BiDi أدى إلى خفض تكاليف شراء الألياف وتشييدها بنسبة 35% تقريبًا.

تركيب الكابلات المبسطة: يقلل من عدد وصلات دمج الألياف ومنافذ ODF، مما يقلل من تعقيد البناء وتكاليف العمالة. في المشروعات التحديثية، يمكن استخدام موارد الألياف الأساسية الفردية-الموجودة بشكل كامل دون الحاجة إلى إعادة توصيل الأسلاك. وهذا مهم بشكل خاص لمراكز البيانات القديمة ذات مساحة غرفة المعدات الضيقة وحوامل الكابلات الكاملة.

تقليل إشغال المساحة: يعمل تصميم المنفذ الفردي- على تقليل المساحة التي تشغلها لوحات التوصيل والخزانات، مما يجعله مناسبًا لبيئات النشر عالية الكثافة-. يمكن للوحة التصحيح BiDi ذات 24 منفذًا إدارة 48 رابطًا، مما يضاعف كفاءة استخدام المساحة.

مرونة عالية: أثناء ترقيات الشبكة، إذا كانت موارد الألياف الموجودة غير كافية،ألياف بيدييمكن أن يؤدي النشر إلى توسيع السعة بسرعة دون الحاجة إلى تجديد الأسلاك على نطاق واسع. تعتبر هذه المرونة ذات قيمة كبيرة بالنسبة للسيناريوهات التي تتطلب استمرارية عمل عالية.

ومع ذلك، فإن حل BiDi له أيضًا قيود. يفرض نقل الألياف-المفردة متطلبات أعلى على جودة الألياف، حيث يكون لعوامل مثل نصف قطر الانحناء والنظافة تأثير أكبر على أداء الإرسال. يمكن أن يؤدي تلوث واجهة الألياف - أو الانحناء المفرط إلى زيادة التداخل بين إشارتي الطول الموجي، مما يؤثر على استقرار الارتباط. بالإضافة إلى ذلك، أثناء عزل الأخطاء، على عكس حلول الألياف-المزدوجة حيث يمكن اختبار روابط TX وRX بشكل منفصل،ألياف بيدييتطلب تقييمًا شاملاً، مما يجعل الصيانة أكثر صعوبة قليلاً.

وحدات BiDi SFP مقابل وحدات الألياف الضوئية التقليدية المزدوجة-.

الفرق الجوهري بينوحدات بيدي SFPوتكمن وحدات الألياف الضوئية التقليدية-المزدوجة في كيفية استخدامها لوسيط النقل الفعلي.نشر الألياف المزدوجةيستخدم ليفين مستقلين، أحدهما مخصص للإرسال والآخر للاستقبال، مع عزل كامل للطبقة المادية.أجهزة الإرسال والاستقبال ثنائية الاتجاهتحقيق نقل ثنائي الاتجاه عبر ألياف واحدة من خلال تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي.

نموذج الواجهة
تستخدم وحدات الألياف الضوئية المزدوجة-واجهات LC أو SC المزدوجة مع منفذين؛وحدات SFP ثنائية الاتجاهاستخدم واجهات بسيطة بمنفذ واحد فقط.

الاستخدام المقترن
يمكن لوحدات الألياف الضوئية التقليدية المزدوجة- أن تستخدم وحدات متطابقة في كلا الطرفين (مثل 1000BASE-LX في كلا الطرفين) لأن أطوال موجات الإرسال والاستقبال الخاصة بها هي نفسها.أجهزة الإرسال والاستقبال بيدي SFPيجب استخدامها في أزواج ذات مجموعات مختلفة من الأطوال الموجية (مثل 1310 نانومتر TX/1550 نانومتر RX في أحد الطرفين و1550 نانومتر TX/1310 نانومتر RX في الطرف الآخر).

منظور التكلفة
وحدة بيدي SFPعادةً ما تكون أسعار الوحدات أعلى بنسبة 20%-40% من وحدات الألياف-المزدوجة المماثلة لأن مرشحات WDM تضيف تكاليف التصنيع. ومع ذلك، في المشاريع التي تتطلب كابلات لمسافات طويلة أو حيث تكون موارد الألياف محدودة، قد تكون التكلفة الإجمالية (الوحدة النمطية + الألياف + البناء) أقل.

مصداقية
تتميز حلول الألياف- المزدوجة بقدرة أقوى قليلاً على مقاومة-التداخل بسبب العزل المادي للإرسال والاستقبال؛ تعتمد حلول BiDi على أداء الفلتر ولها متطلبات أكثر صرامة لجودة الألياف. ومع ذلك، مع تحسين عمليات التصنيع، أصبحت حديثةوحدات بيدي SFPتتمتع بموثوقية تقترب من تلك التي تتمتع بها وحدات الألياف-المزدوجة.

من المهم ملاحظة أن "ثنائي الاتجاه" و"المزدوج" مفهومان مختلفان. يشير الاتجاه المزدوج إلى طريقة نقل البيانات (ازدواج كامل أو نصف مزدوج)، بينماثنائي الاتجاهيشير إلى طريقة استخدام الوسائط المادية.أجهزة الإرسال والاستقبال بيدي SFPلا تزال تعمل في وضع الازدواج الكامل، ويتم تنفيذها للتو عبر ليف واحد.
 

أنواع أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi

التصنيف حسب السرعة

1G بيدي SFP: يستخدم لـ Gigabit Ethernet، وهو نوع وحدة BiDi الأكثر انتشارًا حاليًا. مجموعات الطول الموجي النموذجية هي 1310 نانومتر/1490 نانومتر أو 1310 نانومتر/1550 نانومتر، مع مسافات نقل تغطي 3 كم إلى 120 كم. يتم تطبيقه بشكل أساسي في شبكات المؤسسات وشبكات الحرم الجامعي والوصول إلى FTTH والسيناريوهات الأخرى.

10 جيجا بي ديسفب +: تستخدم لـ 10 جيجابت إيثرنت، مجموعات الطول الموجي تكون عادةً 1270 نانومتر/1330 نانومتر (مسافة قصيرة إلى متوسطة) أو 1490 نانومتر/1550 نانومتر (مسافة طويلة). تتراوح مسافات الإرسال من 10 كم إلى 80 كم. يتم تطبيقه على نطاق واسع في اتصالات مراكز البيانات وشبكات المناطق الحضرية والسيناريوهات الأخرى.

25G بيدي SFP28: يستخدم لشبكة 25G Ethernet، باستخدام تباعد أضيق للطول الموجي (مثل 1295 نانومتر/1309 نانومتر)، مع مسافات نقل تبلغ 10-40 كم. يستخدم بشكل أساسي للوصول إلى الخادم وشبكات التخزين في مراكز البيانات عالية الأداء.

40G بيدي QSFP +: يستخدم تصميمًا-مزدوجًا من الألياف ولكنه متكاملإدارة الطلب على المياهالتكنولوجيا، حيث تحمل كل ألياف نقلًا ثنائي الاتجاه بسرعة 20 جيجابت في الثانية. يستخدم نطاق الطول الموجي 832-918 نانومتر، ويعمل على ألياف متعددة الأوضاع OM3/OM4، مع مسافات نقل تبلغ 100-150 مترًا. مناسبة للاتصال البيني عالي الكثافة داخل مراكز البيانات.

100G بيدي QSFP28: يستخدم تقنية التعديل PAM4، مع طول موجي واحد يحمل 50 جيجابت في الثانية، مما يحقق إرسال ثنائي الاتجاه بسرعة 100 جيجا عبر ليف أحادي الوضع -. مسافات نقل تبلغ 10-40 كم، تستخدم للاتصالات بين مراكز البيانات.

التصنيف حسب تقنية الطول الموجي

ثنائي الاتجاه القياسي: يستخدم أزواج ذات طول موجي ثابت، مثل 1310 نانومتر/1550 نانومتر. أقل تكلفة وأكثر تطبيقا على نطاق واسع.

CWDM ثنائي الاتجاه: يستخدم تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الخشن، نطاق الطول الموجي 1270 نانومتر - 1610 نانومتر، مع تباعد الطول الموجي 20 نانومتر. يمكنه مضاعفة أطوال موجية متعددة على ليف واحد، وهو مناسب لشبكات المناطق الحضرية والنقل لمسافات طويلة.

DWDM بيدي: تستخدم تقنية تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي الكثيف، مع تباعد الطول الموجي بمقدار 0.8 نانومتر (100 جيجا هرتز) أو 0.4 نانومتر (50 جيجا هرتز)، المتوافقة مع معايير ITU-T G.694.1. يستخدم للشبكات الأساسية والنقل لمسافات -الطويلة-الفائقة، مما يحقق استخدامًا عاليًا للغاية لطيف الألياف.

التصنيف حسب سيناريو التطبيق

وحدات PON BiDi: مصمم خصيصًا للشبكات الضوئية المنفعلة FTTH/FTTB، مثل EPON، وGPON، و10G-EPON، وما إلى ذلك. يستخدم جانب OLT وجانب ONU مجموعات مختلفة من الطول الموجي، مع التكوينات النموذجية التي تكون 1490 نانومتر/المنبع 1310 نانومتر. تقوم بعض أنظمة PON أيضًا بتراكب طول موجة يبلغ 1550 نانومتر لنقل إشارة CATV.

وحدات BiDi لمركز البيانات: مُحسّن لبيئات مراكز البيانات، ويدعم وظائف DDM، والاستهلاك المنخفض للطاقة، والنشر عالي الكثافة-. الأسعار الشائعة هي 10G و25G و100G.

الناقل-تصنيف وحدات BiDi: تلبية متطلبات موثوقية درجة الناقل-، مع نطاق درجة حرارة التشغيل من -40 درجة إلى +85 درجة، مع اجتياز اختبارات بيئية صارمة. يُستخدم في المحطات الأساسية الخارجية وعقد شبكة المناطق الحضرية والبيئات القاسية الأخرى.

وحدات -ثنائية الاتجاه الصناعية: قدرة محسنة على مقاومة-التداخل والقوة الميكانيكية، ومناسبة للأتمتة الصناعية والنقل الذكي والسيناريوهات الأخرى.

مجالات تطبيق أجهزة الإرسال والاستقبال BiDi

ألياف FTTH-إلى-المنزل-المنزل: سيناريو التطبيق الأساسي لشبكات الوصول إلى النطاق العريض الناقل.ثنائي الاتجاهتوفر الحلول بين OLT وONU 50% من تكاليف شبكة التوزيع الضوئية (ODN). يستخدم مئات الملايين من مستخدمي FTTH حول العالم تقنية BiDi. تستخدم البيانات النهائية عادة الطول الموجي 1490 نانومتر، وتستخدم البيانات الأولية الطول الموجي 1310 نانومتر، وتستخدم بعض الأنظمة أيضًا 1550 نانومتر لنقل إشارات CATV، مما يحقق تعدد الإرسال بثلاثة أطوال موجية.

شبكات مراكز البيانات: الحامل-إلى-الحامل، والأرضية-إلى-الأرضية، والربط بين الحرم الجامعي-إلى-الحرم الجامعي. في-مراكز البيانات السحابية عالية الكثافة،ثنائي الاتجاهيمكن أن تقلل الحلول من استخدام الألياف بنسبة 50%، مما يقلل من تعقيد الكابلات. خاصة في المشاريع التحديثية، عندما لا تتمكن موارد الألياف الحالية من تلبية متطلبات ترقية النطاق الترددي، فإن BiDi هو الحل الأكثر اقتصادا.10G بيدي SFP +و25G بيدي SFP28هي نماذج شائعة الاستخدام في مراكز البيانات.

شبكات الحرم الجامعي للمؤسسات: عبور-بناء وتداخل-حظر الاتصال البيني لشبكة المؤسسة. مقارنة بنشر ضعف كمية كابلات الألياف الضوئية،ثنائي الاتجاهالحلول يمكن أن تقلل بشكل كبير من تكاليف البناء والجداول الزمنية. مناسبة للشبكات الموزعة في المدارس والمستشفيات والمجمعات الصناعية وغيرها من المواقع.

أنظمة المراقبة الأمنية: غالبًا ما تشتمل مشاريع المراقبة الكبيرة على مئات أو حتى آلاف الكاميرات، مع أعباء عمل هائلة لكابلات الألياف.ثنائي الاتجاهيمكن أن تقلل الحلول من وصلات الدمج ومنافذ ODF بنسبة 50%، مما يؤدي إلى تسريع تقدم البناء وتقليل معدلات الفشل. في المشروعات التحديثية على وجه الخصوص، يمكن استخدام موارد الألياف الأساسية الفردية-الموجودة بشكل كامل.

شبكات 5G Fronthaul/Midhaul: نقل البيانات بين محطات الاتصالات المتنقلة والشبكات الأساسية. مع كثافة المحطة الأساسية 5G العالية ومتطلبات النطاق الترددي، تحافظ تقنية BiDi على موارد الألياف بشكل فعال.وحدات ثنائية 10 جيجا/25 جيجايتم تطبيقها على نطاق واسع في شبكات 5G.

إيثرنت الصناعية: السيناريوهات مثل المصانع الذكية وأنظمة الطاقة والتحكم في حركة المرور. تتمتع البيئات الصناعية بمتطلبات موثوقية عالية ولكنها غالبًا ما تكون مساحة الكابلات محدودة.ثنائي الاتجاهتعمل الحلول على تقليل استخدام الألياف مع تقليل صعوبة الكابلات. تتميز وحدات BiDi الصناعية- بتصميم واسع لدرجة الحرارة وقدرة محسنة على مقاومة-التداخل.

شبكات البث: نقل إشارات CATV وخدمات IPTV. تستخدم بعض شبكات البث تقنية BiDi لتحقيق تحويل الألياف الضوئية لشبكات HFC، وتحسين سعة الشبكة باستخدام موارد الألياف الموجودة.

تطبيقات المدينة الذكية: سيناريوهات إنترنت الأشياء مثل النقل الذكي، وإضاءة الشوارع الذكية، والمراقبة البيئية. تحتوي هذه التطبيقات عادةً على نقاط نشر متفرقة ومسافات طويلةثنائي الاتجاهحلول تقلل بشكل كبير من تكاليف البنية التحتية للألياف.

ومن المهم أن نلاحظ أن الاختيار بينثنائي الاتجاهوتتطلب حلول الألياف- التقليدية دراسة شاملة للظروف الخاصة بالمشروع-: إذا كانت موارد الألياف وفيرة، والمسافات قصيرة، والميزانيات كبيرة، فقد تكون حلول الألياف-الثنائية أبسط وأكثر موثوقية؛ إذا كانت موارد الألياف محدودة، وتكاليف الكابلات مرتفعة، وهناك حاجة إلى النشر السريع،ثنائي الاتجاهتقدم الحلول مزايا واضحة.