ما هو تقسيم الطول الموجي المتعدد (WDM): دليل فني

تعتمد شبكة الألياف الضوئية العالمية، التي يتجاوز طولها 1.8 مليون كيلومتر بحلول عام 2025، على تقنيات مبتكرة لتلبية الطلب المتزايد على عرض النطاق الترددي من تقنيات الجيل الخامس والحوسبة السحابية وإنترنت الأشياء. ويُعد تقسيم الطول الموجي (WDM) حجر الزاوية، إذ يُمكّن من نقل تدفقات بيانات متعددة في وقت واحد عبر ليف ضوئي واحد. يتعمق هذا الدليل في مبادئ وأنواع وتطبيقات واتجاهات تقسيم الطول الموجي المستقبلية. صُمم هذا الدليل خصيصًا للمتخصصين الذين يبحثون عن حلول من CommMesh، ويوفر فهمًا شاملاً لتحسين الشبكات عالية السعة.

مقدمة إلى تقنية تقسيم الطول الموجي المتعدد (WDM)

الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي (WDM) هو تقنية نقل ألياف بصرية تجمع إشارات ضوئية متعددة بأطوال موجية مختلفة في ليف واحد، مما يزيد سعته بشكل كبير. يحمل كل طول موجي، أو "قناة"، تدفق بيانات مستقل، مما يسمح بعرض نطاق يصل إلى 400 جيجابت في الثانية لكل قناة، مع سعات إجمالية تصل إلى تيرابت في الثانية (Tbps) عند استخدام قنوات متعددة. طُرح الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي في ثمانينيات القرن الماضي، وتطور من أنظمة بسيطة إلى تطبيقات متطورة تدعم الاتصالات الحديثة. اعتبارًا من عام 2025، ومع تضاعف حركة البيانات كل 18-24 شهرًا (لكل سيسكو), يعد WDM ضروريًا للشبكات الطويلة المدى وشبكات المترو وشبكات الوصول.

مبادئ تقسيم الطول الموجي المتعدد

تعمل تقنية WDM باستغلال النطاق الترددي الواسع للألياف الضوئية، والذي يدعم آلاف الأطوال الموجية ضمن نطاق 1260-1675 نانومتر، ويحدها توهين الألياف (مثلاً، 0.2 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر). تشمل المبادئ الأساسية ما يلي:

1. تخصيص الطول الموجي
   • تستخدم كل قناة طولًا موجيًا مميزًا، متباعدًا بمقدار 0.8 نانومتر (100 جيجاهرتز) أو 0.4 نانومتر (50 جيجاهرتز) في النطاق C (1530-1565 نانومتر) أو النطاق L (1565-1625 نانومتر)، وفقًا لشبكة ITU-T G.694.1.
   • على سبيل المثال: 40 قناة بمسافة 100 جيجاهرتز تنتج 16 تيرابايت في الثانية بمعدل 400 جيجابت في الثانية لكل قناة.
2. الإرسال المتعدد وفك الإرسال المتعدد
   • الإرسال المتعدد:يقوم المضاعف (MUX) بدمج الأطوال الموجية باستخدام مرشحات الأغشية الرقيقة أو شبكات الموجات الموجهة المصفوفة (AWGs)، مما يضمن خسارة إدخال أقل من 0.5 ديسيبل.
   • إزالة التعدد:يقوم جهاز فك التعدد (DEMUX) بفصل الأطوال الموجية عند المستقبل، مع تداخل أقل من -30 ديسيبل.
   • ملاحظة فنية: تعمل مكبرات الصوت الضوئية (على سبيل المثال، EDFAs) على تعزيز الإشارات كل 80-100 كم، مما يعوض عن خسارة تتراوح بين 20-25 ديسيبل.
3. انتشار الضوء
   • تنتقل الإشارات عبر الانعكاس الداخلي الكلي في قلب الألياف (مؤشر الانكسار ~1.46)، مع إدارة التشتت (على سبيل المثال، 17 ps/nm/km) بواسطة الألياف المعوضة للتشتت (DCF).
   • يتم تقليل التأثيرات غير الخطية مثل خلط الموجات الأربع باستخدام تباعد دقيق للأطوال الموجية.

أنواع الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي

تلبي متغيرات WDM احتياجات مختلفة من حيث السعة والتكلفة:

1. تقسيم الطول الموجي الخشن (CWDM)
   • مبدأ:يستخدم مسافة أطوال موجية أوسع (20 نانومتر، على سبيل المثال، 1470–1610 نانومتر)، ويدعم 18 قناة بمعدل 2.5–10 جيجابت في الثانية لكل منها.
   • المزايا:تكلفة أقل ($500–$2000 لكل MUX) وبصريات أبسط، مع خسارة أقل من 3 ديسيبل.
   • التطبيقات:شبكات المترو القصيرة المدى (50-80 كم) ووصلات الحرم الجامعي.
   • القيود: يقتصر على 8-18 قناة بسبب التباعد الأوسع، وفقًا لـ ITU-T G.694.2.
2. إرسال متعدد بتقسيم الطول الموجي الكثيف (DWDM)
   • مبدأ:تستخدم مسافات ضيقة (0.8 نانومتر أو 100 جيجاهرتز، على سبيل المثال، 1530–1565 نانومتر)، وتدعم 40–96 قناة بتردد 10–400 جيجابت في الثانية لكل منها.
   • المزايا:سعة عالية (تصل إلى 96 تيرابت في الثانية)، مع خسارة أقل من 0.5 ديسيبل لكل قناة، يتم تضخيمها بواسطة EDFAs كل 80 كم.
   • التطبيقات:شبكات المسافات الطويلة (100-3000 كم) والشبكات الأساسية.
   • القيود:تكلفة أعلى ($5000–$10,000 لكل نظام) والتحكم المعقد في درجة الحرارة (±0.1 درجة مئوية).
3. WDM ثنائي الاتجاه (BWDM)
   • مبدأ:يستخدم نفس الألياف لحركة المرور المتجهة لأعلى ولأسفل على أطوال موجية مختلفة (على سبيل المثال، 1310 نانومتر و1550 نانومتر).
   • المزايا:يضاعف السعة على الألياف الموجودة، مع خسارة أقل من 1 ديسيبل.
   • التطبيقات:FTTH (الألياف إلى المنازل) والشبكات الصغيرة الحجم.
   • القيود:قابلة للتداخل بمقدار 0.2 ديسيبل، وتتطلب مرشحات دقيقة.

المكونات التقنية لأنظمة WDM

تعتمد تقنية WDM على أجهزة متخصصة:

1. أجهزة الإرسال والاستقبال
   • تصدر أشعة الليزر أطوال موجية محددة (على سبيل المثال، 1550.12 نانومتر) مع استقرار ±0.1 نانومتر، يتم تعديلها بمعدل 10–400 جيجابت في الثانية باستخدام NRZ أو QAM.
   • تستخدم أجهزة الاستقبال الثنائيات الضوئية لاكتشاف الإشارات، بحساسية تصل إلى -28 ديسيبل ميلي واط.
2. مُضاعِفات الإضافة والإسقاط الضوئية (OADMs)
   • تضيف أو تحذف OADMs أطوال موجية فردية (على سبيل المثال، 1550.92 نانومتر) مع خسارة <0.3 ديسيبل، مما يتيح مرونة الشبكة.
   • تستخدم في توبولوجيات الحلقات لوقت تشغيل 99.9%.
3. مكبرات الصوت
   • تعمل مكبرات الألياف المشبعة بالإربيوم (EDFAs) على تعزيز الترددات بمقدار 20-30 ديسيبل كل 80-100 كم، وتعمل في النطاق C مع رقم ضوضاء يتراوح بين 5-7 ديسيبل.
   • يصل مدى مكبرات الصوت رامان إلى 150 كيلومترًا مع كسب يتراوح بين 15 إلى 20 ديسيبل.
4. تعويض التشتت
   • تقوم وحدات DCF بتصحيح التشتت بمقدار 17 ps/nm/km، مما يضمن سلامة الإشارة على مسافة تزيد عن 1000 كم.
   • ملاحظة فنية: تضيف خسارة قدرها 0.5–1 ديسيبل ولكنها تمنع تشويه إشارة 10%.

تطبيقات تقسيم الطول الموجي المتعدد

تجعل مرونة WDM جزءًا لا يتجزأ من مختلف هياكل الشبكات اعتبارًا من عام 2025:

1. شبكات المسافات الطويلة والشبكات الأساسية
   • تدعم أنظمة DWDM الكابلات العابرة للمحيطات، بـ 96 قناة توفر 38.4 تيرابت في الثانية على مدى 10,000 كيلومتر، مع تضخيم كل 80 كيلومتر. مثال: تستخدم شبكة كابلات آسيا والمحيط الهادئ 2025 (APCN-3) تقنية DWDM للتعامل مع 50 تيرابت في الثانية لكل الجغرافيا التليجرافية.
   • ملاحظة فنية: تحافظ EDFA على نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) أعلى من 20 ديسيبل، مما يضمن معدلات خطأ أقل من 10^-12.
2. شبكات المترو والوصول
   • يُعدّ CWDM مثاليًا للحلقات الحضرية التي يتراوح طولها بين 50 و80 كيلومترًا، مع 8-18 قناة بسرعة 10 جيجابت في الثانية لكل قناة، مما يُخفّض التكاليف بمقدار 40% مقارنةً بتقنية DWDM. مثال: تستخدم شبكات Verizon الحضرية في المدن الأمريكية تقنية CWDM لشبكة 5G الأمامية، داعمةً وصلات بسرعة 100 جيجابت في الثانية.
   • تمكّن تقنية BWDM تقنية FTTH، مع أطوال موجية ثنائية الاتجاه 1310/1550 نانومتر توفر 1 جيجابت في الثانية لكل منزل.
3. مراكز البيانات
   • يربط DWDM رفوفًا يزيد طولها عن 100 متر، مع 40 قناة بسرعة 400 جيجابت في الثانية، بإجمالي 16 تيرابايت في الثانية. تعتمد المرافق الضخمة، مثل تلك التابعة لأمازون ويب سيرفيسز (AWS)، على DWDM لحركة البيانات السحابية، حيث تعالج بيتابايتات يوميًا.
   • ملاحظة فنية: تسمح أجهزة OADM بإسقاط القناة الديناميكي، مع أوقات إعادة التكوين أقل من 50 مللي ثانية.
4. شبكات المؤسسات والجامعات
   • يربط CWDM المباني بسرعة 10 جيجابت في الثانية لكل قناة، باستخدام وحدات MUX/DEMUX منخفضة التكلفة. مثال: تستخدم الجامعات في أوروبا CWDM لشبكات الحرم الجامعي، لكل المعهد الأوروبي لمعايير العلوم التقارير.

مقاييس أداء أنظمة WDM

يتم تقييم أداء WDM من خلال المعلمات الرئيسية:

1. سعة القناة وعرض النطاق الترددي
   • توفر تقنية DWDM ما بين 40 إلى 96 قناة (ما يصل إلى 96 تيرابت في الثانية في المجمل)، مع معدلات لكل قناة تتراوح بين 10 إلى 400 جيجابت في الثانية باستخدام التعديل المتماسك (على سبيل المثال، QPSK أو 16-QAM).
   • تقتصر تقنية CWDM على 18 قناة (تصل إلى 180 جيجابت في الثانية)، وهي مناسبة للإعدادات الحساسة للتكلفة.
   • ملاحظة فنية: تصل الكفاءة الطيفية إلى 4–8 بت/ثانية/هرتز في DWDM، لكل ITU-T G.694.1.
2. التوهين والوصول
   • يتم تعويض فقدان الألياف (0.2 ديسيبل/كم عند 1550 نانومتر) بواسطة EDFAs (مكسب 20-30 ديسيبل)، مما يمتد إلى مدى 1000 كم دون تجديد.
   • يتم التخفيف من التشتت (17 ps/nm/km) بواسطة DCF، مما يحافظ على معدلات خطأ البت (BER) أقل من 10^-9.
   • الفرق: يصل مدى CWDM إلى 80 كم بدون تضخيم، مقابل 3000 كم لـ DWDM مع مكبرات الصوت Raman.
3. التداخل والضوضاء
   • يتم الحفاظ على التداخل بين القنوات أقل من -30 ديسيبل باستخدام مرشحات AWG، في حين تحد أرقام ضوضاء EDFA (4-6 ديسيبل) من نسبة الإشارة إلى الضوضاء إلى 20-25 ديسيبل.
   • يتم إدارة التأثيرات غير الخطية مثل التعديل الذاتي للمرحلة (SPM) بمستويات طاقة <5 ديسيبل لكل قناة.
4. الموثوقية والزمن الكامن
   • تحقق أنظمة WDM وقت تشغيل يبلغ 99.999% مع مكبرات صوت زائدة عن الحاجة، مما يضيف زمن انتقال أقل من 0.1 مللي ثانية لكل MUX/DEMUX.
   • ملاحظة فنية: يجب أن تتجاوز نسبة الإشارة البصرية إلى الضوضاء (OSNR) 20 ديسيبل لنقل 400 جيجابت في الثانية.

التحديات في تنفيذ إدارة الطلب على المياه

يواجه نشر WDM العديد من العقبات الفنية:

1. التكلفة والتعقيد
   • تتراوح تكلفة أنظمة DWDM بين 50,000 و100,000 طن متري للعقدة الواحدة بفضل دقة الليزر والمضخمات. الحل: CWDM للشبكات الاقتصادية، مما يقلل التكاليف بمقدار 501 طن متري و3 طن متري.
   • يضيف التعقيد في التحكم في درجة الحرارة (±0.1 درجة مئوية) لتحقيق استقرار الطول الموجي تكلفة تشغيلية إضافية.
2. التشتت والتأثيرات غير الخطية
   • التشتت اللوني (١٧ بيكو ثانية/نانومتر/كم) يُفسد الإشارات على مدى ١٠٠ كم، مما يُسبب زيادة في معدل البتات (BER) بمقدار ١٠١TP3T. الحل: تُصحح شرائح DCF أو معالجة الإشارات الرقمية (DSP) نسبة ٩٠١TP3T من التأثيرات.
   • يُولِّد خلط الموجات الأربع (FWM) عند قوى عالية (>5 ديسيبل ميلي واط) تداخلاً. الحل: تباعد القنوات غير المتساوي أو تعدد الاستقطاب.
3. حدود التضخيم
   • تُضخّم مُضخّمات EDFA النطاق C فقط (1530-1565 نانومتر)، مما يُحدّد القنوات. الحل: تمتدّ مُضخّمات رامان إلى النطاق L (1565-1625 نانومتر)، مُضيفةً 40 قناة.
   • يُقلل تراكم الضوضاء نسبة الضوضاء البصرية بمقدار ٥ ديسيبل لكل مرحلة من مراحل المُضخِّم. الحل: يُحسّن تصحيح الخطأ الأمامي (FEC) معدل الخطأ في البتات (BER) بمقدار ١٠^-٦.
4. قضايا قابلية التوسع
   • تتطلب إضافة القنوات في منتصف الشبكة وحدات OADM، بخسارة ٠.٣ ديسيبل لكل وحدة. الحل: وحدات OADM القابلة لإعادة التكوين (ROADMs) تُمكّن من الإضافة الديناميكية في أقل من دقيقة.
   • استنفاد الطيف في الألياف الضوئية الحضرية الكثيفة. الحل: شبكة مرنة لتقسيم طول الموجة (Flexi-WDM) بفاصل ١٢.٥ جيجاهرتز، مما يضاعف السعة.

الاتجاهات المستقبلية في الإرسال المتعدد بتقسيم الطول الموجي

تتطور إدارة الطلب على المياه (WDM) لتتناسب مع انفجار البيانات في عام 2025:

1. WDM فائق الكثافة (SD-WDM)
   • يدعم أكثر من 200 قناة بفاصل 25 جيجاهرتز، مما يحقق سرعة 80 تيرابت في الثانية لكل ليف. تهدف نماذج هواوي الأولية إلى نشرها بحلول عام 2026.
   • ملاحظة فنية: يستخدم DSP المتقدم لتحقيق كفاءة 8 بت/ثانية/هرتز.
2. إدارة الطلب على المياه المتماسكة
   • يستخدم تعديل الطور (مثل DP-QPSK) بمعدل 800 جيجابت في الثانية لكل قناة على مدى 1000 كيلومتر، مع نسبة إشارة ضوئية (OSNR) > 25 ديسيبل. مُعتمد في 40% من وصلات المسافات الطويلة الجديدة (وفقًا لـ TeleGeography).
   • الحل للتأثيرات غير الخطية: المعادلة التكيفية تقلل التشوه بمقدار 20%.
3. الفوتونيات المتكاملة
   • تقلل رقائق الفوتونيات السيليكونية MUX/DEMUX الحجم بمقدار 50% والتكلفة بمقدار 30%، مما يتيح أنظمة مدمجة لمراكز البيانات.
   • على سبيل المثال: تدعم شرائح Intel 2025 100 قناة مع خسارة قدرها 0.2 ديسيبل.
4. WDM المحسّن بالذكاء الاصطناعي
   • تتنبأ خوارزميات الذكاء الاصطناعي بتخصيص القنوات، مما يُحسّن استخدام الطيف الترددي لـ 25%، ويُخفّض استهلاك الطاقة لـ 15%. تُظهر تجارب نوكيا زمن تشغيل 99.99%.
   • ملاحظة فنية: تقوم نماذج التعلم الآلي بتحليل OSNR في الوقت الفعلي لإعادة التكوين الديناميكي.

خاتمة

يُحدث تقسيم الطول الموجي المتعدد (WDM) ثورةً في مجال الألياف الضوئية من خلال تقسيم أطوال موجية متعددة (مثل 1310-1550 نانومتر) عبر ليف ضوئي واحد، مما يحقق سعات تصل إلى تيرابت في الثانية مع خسارة منخفضة (0.2 ديسيبل/كم). بدءًا من تقسيم الطول الموجي المتعدد (CWDM) لشبكات المترو منخفضة التكلفة، وصولًا إلى تقسيم الطول الموجي المتعدد (DWDM) للشبكات الأساسية عالية الكثافة، تُشكل مبادئ تقسيم الطول الموجي المتعدد (WDM) في التقسيم والتضخيم وتعويض التشتت دافعًا قويًا للاتصالات الحديثة. على الرغم من التحديات مثل التكلفة والتأثيرات غير الخطية، تضمن حلول مثل ROADMs وDSP قابلية التوسع. وتَعِد الاتجاهات المستقبلية، بما في ذلك دمج SD-WDM والذكاء الاصطناعي، بكفاءة أعلى. للاطلاع على حلول تقسيم الطول الموجي، استكشف كومميش.